LED光源替换潮来袭,台蓝宝石厂12月迎满载丰年
蓝宝石、碳化矽两强相争胜负未定,矽基板GaN基
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蓝宝石、碳化矽两强相争胜负未定,矽基板GaN基

日期:2020-05-21 13:21点击数:

  蓝宝石、碳化矽两强相争胜负未定,矽基板GaN基板可能会异军突起牵动LED全球产业局势

   在刚拉上帷幕的拉斯维加斯美国LightFair International 2012照明展,美商Bridgelux行销副总裁Jason Posselt宣传该公司已经可实现量产8吋矽基板的GaN型LED。

   Jason Posselt指出,该公司先前已经打造出每瓦135流明的GaN-On-Silicon LED,在矽基板上面长晶,这种方法最大的意义在于要降低大尺寸晶圆在生产为LED时的成本,同时,矽基板的价格比蓝宝石基板的价格要低。过去以来,这项技术并没有受到太大重视的原因是良率、成本与技术门槛。如今,该公司已经成功地打造出具备足够竞争力的产品,同时也获得许多市场客户的选用。Bridgelux这次发表的最新成果,是614mW, <3.1V@350mA的1.1mm尺寸LED,是目前8吋矽基LED最高效率的产品,该公司强调未来会继续发表这方面的进度与发展。 在产能方面,矽基板已经是半导体行业最普遍的基板材料,其中8吋晶圆厂设备已经老旧,矽基板的LED可以对原有的产能很方便的利用。Bridgelux策略是与日本大厂东芝合作,两家公司将以东芝在亚洲的某间8吋晶圆厂产能,搭配最新改良的GaN-On-Silicon技术,量产8吋矽基板LED,2013年量产的影响可能不小,预期可降低75%的成本。 LEDinside认为这项发展,其实牵动了以蓝宝石基板为基础的现有大部分LED芯片产业,原本市场预期的技术进展并没有那么地快,但是Bridgelux的这项突破很有可能改变现有的竞争格局,引发不同技术进步路径的激烈交锋。 基板材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的基板材料,需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术,基板材料决定了半导体照明技术的发展路线。基板材料的选择主要取决于以下九个方面: [1]结构特性好,外延材料与基板的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小; [2]界面特性好,有利于外延材料成核且黏附性强; [3]化学稳定性好,在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀; [4]热学性能好,包括导热性好和热失配度小; [5]导电性好,能制成上下结构; [6]光学性能好,制作的器件所发出的光被基板吸收小; [7]机械性能好,器件容易加工,包括减薄、抛光和切割等; [8]价格低廉; [9]大尺寸,一般要求直径不小于2英吋。

   蓝宝石/Al2O3 目前用于氮化镓生长的最普遍的基板是Al2O3,其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟;不足方面虽然很多,但均一一被克服,如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服,导电性能差通过同侧P、N电极所克服,机械性能差不易切割通过激光划片所克服,很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是,差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足,却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。

   部分厂商用倒装芯片(flip-chip)来制备功率型器件来克服这个问题。国际市场上Al2O3基板今后的研发任务是生长大直径的Al2O3单晶,向4-6英吋方向发展,以及降低杂质污染和提高表面抛光质量。目前主流蓝宝石基板片厂商均能够实现6吋批量交货。韩厂三星LED已将绝大部分产能转为6吋。不过目前中国的芯片厂主流采用的还是2吋片,主要是基于成本的考虑。

   根据LEDinside调研目前基板市场价格如下表:

4吋面积仅为2吋的4倍,但是价格却为接近2吋片的7倍。 碳化矽/SiC 除了Al2O3基板外,目前用于氮化镓生长的基板就是SiC,它在市场上的占有率位居第二,它有许多突出的优点,如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等,但不足方面也很突出,如价格太高、晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。 另外,SiC基板吸收380 nm以下的紫外线,不适合用来研发380 nm以下的紫外线LED。

   由于SiC基板优异的的导电性能和导热性能,不需要像Al2O3基板上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题,而是采用上下电极结构,可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题,故在发展中的半导体照明技术领域占有重要地位。目前国际上能提供商用的高品质SiC基板的厂家只有美国CREE公司,Cree公司于2012年4月12日宣布,其白光功率型LED光效再度创下LED产业最高纪录,达到254 lm/W。这一记录要比Al2O3基板实现的最高光效记录高了近百个lm。SiC基板今后研发的任务是大幅度降低制造成本和提高晶体结晶品质。 矽/Si 在矽基板上制备发光二极管是本领域里梦寐以求的一件事情,因为一旦技术获得突破,外延生长成本和器件加工成本将大幅度下降。Si片作为GaN材料的基板有许多优点,如晶体质量高,尺寸大,成本低,易加工,良好的导电性、导热性和热稳定性等。然而,由于GaN外延层与Si基板之间存在巨大的晶格失配和热失配,以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化矽,所以在Si 基板上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。另外,由于矽基板对光的吸收严重,LED出光效率低等缺陷。

   不过由Bridgelux这次发表的最新成果614mW, <3.1V@350mA的1.1mm尺寸LED来看,内量子效率已经取得重大进展。结合早先OSRAM发布的一款6吋矽基板上生长的蓝光芯片,光功率也达到了3.15V时达到634mW,矽基板LED在光效上已经非常逼近Al2O3基板。

   上面是Osram推出的矽基板LED产品:UX:3 氮化镓/GaN 用于氮化镓生长的最理想的基板自然是氮化镓单晶材料,这样可以大大提高外延膜的晶体质量,降低位错密度,提高器件工作寿命,提高内量子效率,提高器件工作电流密度。可是,制备氮化镓体单晶材料非常困难,到目前为止尚未有易于量产且行之有效的办法。有研究人员通过HVPE方法在其他基板(如Al2O3、SiC)上生长氮化镓厚膜,然后通过剥离技术实现基板和氮化镓厚膜的分离,分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的基板。这样获得的氮化镓厚膜优点非常明显,即以它为基板外延的氮化镓薄膜的位错密度,比在Al2O3 、SiC上外延的氮化镓薄膜的位错密度要明显低;但价格昂贵。因而氮化镓厚膜作为半导体照明的基板之用受到限制。 不过由三菱化学已经宣称能够量产GaN加基板。已投下约5亿日圆在水岛事业所内兴建基板加工产线,并于4月完工,之后将于7月进行基板样品出货,并将于10月正式量产直径为2吋的GaN基板,月产量为500片(可供应10万个LED灯泡使用)。三菱计划于2013年将GaN基板月产能大幅倍增至6,000片(以直径2吋的产品换算;以下同),之后并计划于2015年进一步扩增至30,000片的规模,以借此一口气掌握业界标准,预估三菱化学对GaN基板的总投资额将达数百亿日圆。

   和现行主流的蓝宝石基板相比,GaN基板虽具有转换效率高(约为三倍)等优点,惟最大难题在于生产成本过高,但因三菱化学已确立了高效率的生产技术,故从中长期来看,三菱化学分析其成本面应可抗衡蓝宝石基板。该项目与蓝光LED之父中村修二博士的在加州大学芭芭拉分校(UCSB)的研究有关。先前市场也有消息指出,三菱化学与蓝光LED之父中村修二已成功运用液相沉积法生产出氮化镓(GaN)晶体。 中国也有公司在这方面展开探索,苏州纳维宣称能量产直径2吋厚度为300μm的非极性自支撑的GaN基板,这为国际市场上外延芯片厂探索GaN基外延提供了很好的基础。不过,就市场发展当前状况而言,中国本土厂商在这方面的技术发展,还有一段时间要赶上国际进度。 LEDinside观点 Ledinside分析,更多不同LED基板技术的选择,对保持LED产业的活力至关重要,因为这意味着更多的创新和颠复性的突破的机会,在与传统产业竞争中取得更大的竞争优势,更快实现绿色节能照明普及的目标。 同时,这也为那些缺少核心技术和通路资源却动辄数亿、数十亿甚至到百亿资金豪赌的厂商来说,是个重要的启示,科技产业虽然有着严重的路径依赖,但是颠复性的技术创新也随时会出现,错误的投资决策很有可能变成沉没成本,让企业陷入万劫不复。 LED产业目前正在关切未来LED基板与LED技术的走向,因为重新洗牌的成本不小,值得密切注意。

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