技術(shù)發(fā)展和工藝改進(jìn)，使LED成本大幅度下降，推動(dòng)了LED應(yīng)用的全面發(fā)展。為進(jìn)一步提升LED節(jié)能效果，全球相關(guān)單位均投入極大的研發(fā)力量，對(duì)LED性能、可靠性進(jìn)行深入的研究開發(fā)，特別在LED襯底、外延、芯片的核心技術(shù)研究方面，已取得突破性成果。對(duì)LED發(fā)展提出了不同的技術(shù)路線和“終極目標(biāo)”的技術(shù)方案，以及提出新的發(fā)光材料。為此，本文除簡(jiǎn)要描述半導(dǎo)體照明上游產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況之外，也重點(diǎn)介紹了LED襯底、外延、芯片核心技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)并探討相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，以及降低外延、芯片成本的技術(shù)。
一、半導(dǎo)體照明上游產(chǎn)業(yè)概況
半導(dǎo)體照明上游產(chǎn)業(yè)是指LED襯底、外延及芯片相關(guān)的內(nèi)容，這里將簡(jiǎn)要介紹上游產(chǎn)業(yè)的概況及主要技術(shù)指標(biāo)。
1.LED襯底概況
目前用于LED產(chǎn)業(yè)化的襯底主要有藍(lán)寶石(Al2O3)、SiC和Si，Cree公司用SiC為襯底，東芝公司宣布8″的硅襯底生長(zhǎng)LED將于2013年產(chǎn)業(yè)化，其余的大部分以藍(lán)寶石為主。全球生產(chǎn)藍(lán)寶石襯底有130多家，其中有80多家是近兩年加入的。2012年的需求量約9600萬(wàn)片(以2″計(jì)算)，其中藍(lán)寶石圖形化襯底(PSS)占70%~80%，目前仍以2″和4″襯底片為主，由于同樣面積的6″晶片比2″晶片要多出52%芯片，所以預(yù)測(cè)幾年后將以6″為主。由于生產(chǎn)能力過(guò)大，供大于求，致使藍(lán)寶石晶片價(jià)格大幅度下降，大約為每片7~8美元。在藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)上大部分采用A軸向生長(zhǎng)，取出C軸向的晶片，材料利用率過(guò)低，2″為35%左右，6″約為20%。有資料顯示：采用CHES法直接按C軸向生長(zhǎng)，材料利用率可達(dá)75%，而且減少了張力和應(yīng)力，從而降低了襯底晶片的彎曲度和翹曲度，因此，極大提高了藍(lán)寶石襯底的生產(chǎn)效率、晶片質(zhì)量及降低成本。近幾年全球正在研究很多LED的新襯底，取得了很大成果。
中國(guó)生產(chǎn)藍(lán)寶石襯底的企業(yè)約50家，其中已投產(chǎn)約20家左右，有人統(tǒng)計(jì)，2011年我國(guó)生產(chǎn)能力已達(dá)15000萬(wàn)片/年(以2″計(jì)算)，超過(guò)全球的需求量。而且由于藍(lán)寶石企業(yè)直接生產(chǎn)PSS襯底的不多，企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力較差，企業(yè)走向轉(zhuǎn)型、整合、兼并是必然的。另外，還有山東華光采用SiC襯底生長(zhǎng)LED，南昌晶能采用6″的Si襯底生長(zhǎng)LED，均取得較好成果。
2.LED外延及芯片產(chǎn)業(yè)概況
全球從事LED外延及芯片研發(fā)生產(chǎn)單位約160家，共有MOCVD設(shè)備約3000臺(tái)，2011年生產(chǎn)芯片總量為820億只，2012年為950億只,2012年生產(chǎn)過(guò)剩率達(dá)35%。按4″晶片計(jì)算，生產(chǎn)能力為200萬(wàn)片/月，其中中國(guó)占25.8%、臺(tái)灣21.8%、日本19.2%、韓國(guó)17.3%、美國(guó)11.8%、歐洲2.8%。目前外延晶片以2″和4″為主，據(jù)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)在幾年內(nèi)將以6″晶片為主，會(huì)超過(guò)50%以上。由于外延技術(shù)的不斷發(fā)展，晶片尺寸不斷擴(kuò)大，加上工藝技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，外延片的成本會(huì)大幅度下降。
中國(guó)LED外延及芯片企業(yè)約50多家，其中已投產(chǎn)的約36家，正在籌建的有20多家。2012年底已有MOCVD設(shè)備約980臺(tái)，其中大部分以2″為主，2012年芯片的產(chǎn)量超過(guò)1000億只(含小芯片和四元系芯片)，產(chǎn)值達(dá)60億元(另有報(bào)道為80億元)。另外中國(guó)有16家企業(yè)正在研發(fā)制造MOCVD設(shè)備，其中有8家已做出樣機(jī)，并在上游企業(yè)試用，預(yù)計(jì)2013年應(yīng)該有國(guó)產(chǎn)MOCVD設(shè)備正式投產(chǎn)。由于國(guó)內(nèi)LED上游企業(yè)過(guò)多，大部分企業(yè)規(guī)模偏小，缺乏研發(fā)能力和競(jìng)爭(zhēng)力，走向整合、兼并是必然的。
3.LED主要技術(shù)指標(biāo)
發(fā)光效率作為L(zhǎng)ED標(biāo)志性技術(shù)指標(biāo)，近兩年來(lái)有極大提升，日亞、飛利浦等幾個(gè)大企業(yè)實(shí)驗(yàn)室水平均超過(guò)240lm/W，Cree公司2013年2月宣布實(shí)驗(yàn)室光效達(dá)276lm/W，豐田合成宣布在1mm×1mm的LED芯片實(shí)現(xiàn)光通量400lm(在較大電流下)，首爾半導(dǎo)體宣布光通量達(dá)500lm(在1mm×1mm的LED芯片加1000mA電流下)。全球LED產(chǎn)業(yè)化水平，目前可提供光效120~150lm/W的LED產(chǎn)品，Cree公司2012年12月初宣布可提供光效186lm/W的LED產(chǎn)品，12月底又宣布可提供200lm/W的LED產(chǎn)品。由于LED技術(shù)迅速發(fā)展，到底LED發(fā)光效率能提升到什么程度才算最后結(jié)果呢?最近有幾種提法，美國(guó)SSL計(jì)劃修定中提到LED光效產(chǎn)業(yè)化水平達(dá)266lm/W為終極目標(biāo)。三菱化學(xué)提出目標(biāo)：1mm×1mm芯片發(fā)光亮度達(dá)1000lm光通量。日本田村制作提出目標(biāo)：2mm×2mm芯片發(fā)光亮度達(dá)2000~3000lm光通量。上述所提的這些目標(biāo)均可達(dá)到單芯片制作成LED光源。
二、LED襯底、外延及芯片技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
近幾年LED技術(shù)發(fā)展迅速，襯底、外延及芯片核心技術(shù)取得突破性進(jìn)展。本章節(jié)將對(duì)這些核心技術(shù)進(jìn)行具體描述，并介紹發(fā)光新材料，進(jìn)一步探索LED上游技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
1.圖形化襯底
LED外延現(xiàn)階段普遍使用圖形化襯底(PSS)，PSS目前分為微米級(jí)PSS和納米級(jí)nPSS，微米級(jí)PSS有各種形狀圖形，如正角形、梯形、圓形、橢圓形、半球形、三棱錐形、六棱錐形、火山口形等，圖形高度一般1.1~1.6μm，圓直徑2.5~3μm，周期約4μm，采用光微投影及電漿干式蝕刻技術(shù)，2″圓片的成品率為80%~93%，4″圓片為40%~70%，一般可提高光效30%~40%。nPSS一般采用納米壓印技術(shù)，圖形大小約260nm，周期約460nm，一般可提高光效70%左右，正在采用納米光微影(NIL)新技術(shù)，將會(huì)降低nPSS成本，并可適用大晶圓尺寸，為此介紹二種納米級(jí)nPSS。
(1)nPSS襯底
nPSS采用納米壓印是接觸式，對(duì)納米模板及襯底平行度要求苛刻，脫模、排氣及母版污染等是影響成品率的主要因素，該技術(shù)瓶頸將盡快突破，將成為2013年的主流，nPSS優(yōu)點(diǎn)：LED更高發(fā)光效率，均勻性更好，成本低。如在藍(lán)寶石襯底上用納米壓印光刻獲周期為450nm圓孔的六角形陣列，使綠光LED輸出光功率是原來(lái)的三倍。
(2)納米柱PSS
英國(guó)塞倫公司的新技術(shù)，在藍(lán)寶石襯底上采用獨(dú)特的納米光刻技術(shù)，形成表面的納米柱。該納米柱直徑是幾百納米，在此襯底上外延生長(zhǎng)可緩解應(yīng)力85%，從而大幅度減少缺陷，在不增加成本情況下，可大幅提高發(fā)光亮度，LED光效的產(chǎn)業(yè)化水平可達(dá)200lm/W，并改善Droop效應(yīng)，衰減減緩約30%。
小結(jié)：PSS能較大提高LED發(fā)光效率，特別是納米級(jí)nPSS能更大提升LED發(fā)光效率，PSS是現(xiàn)階段LED核心技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)PSS在降低成本方面有不同看法。
2.同質(zhì)襯底
同質(zhì)襯底是以GaN作襯底，并在此襯底上生長(zhǎng)GaN，全球相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和大企業(yè)，如日亞、Cree等均投入很大研發(fā)力量，并取得了突破性進(jìn)展。生長(zhǎng)GaN襯底有多種方法，一般采用HVPE(氫化物氣相外延)或鈉流法，生產(chǎn)GaN襯底要很好解決殘留應(yīng)力和表面粗糙問(wèn)題，襯底厚度約400~500μm，現(xiàn)可產(chǎn)業(yè)化。GaN襯底的優(yōu)點(diǎn)：位錯(cuò)密度低(105~106個(gè)/cm2)，內(nèi)量子效率可達(dá)80%以上，生長(zhǎng)時(shí)間短約2小時(shí)，節(jié)省大量原材料，可大幅度降低成本(目前襯底較貴)，下面介紹幾個(gè)主要研究成果。
(1)實(shí)現(xiàn)高亮度LED
豐田合成采用c面GaN襯底生長(zhǎng)LED芯片，其面積為1mm2，可實(shí)現(xiàn)400lm光通量，可以實(shí)現(xiàn)單芯片LED的高亮度。
(2)HVPE生長(zhǎng)GaN襯底產(chǎn)業(yè)化
三菱化學(xué)、住友電工、日立電線等公司采用HVPE法生長(zhǎng)GaN襯底，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化可提供2″GaN襯底，厚度450μm左右，位錯(cuò)密度(106~107個(gè)/cm2)，三菱化學(xué)近期宣布可提供6″GaN襯底，并計(jì)劃2015年將成本降至目前的十分之一。
(3)提高內(nèi)量子效率
日本礙子公司采用鈉流法生長(zhǎng)GaN襯底，低缺陷密度，內(nèi)量子效率達(dá)90%，在200mA下，其光效達(dá)200lm/W，2012年可提供4″GaN襯底，正在加速開發(fā)低缺陷的6″襯底。
(4)大尺寸GaN襯底
住友電工和Soitec合作開發(fā)4″和6″GaN襯底，在日本伊丹和法國(guó)Bernin建中試生產(chǎn)線，采用晶圓制造技術(shù)和智能剝離層轉(zhuǎn)移技術(shù)生產(chǎn)超薄高品質(zhì)GaN襯底，具有低缺陷密度，并宣布可提供GaN襯底。
(5)LiGaO2襯底
華南理工大學(xué)研發(fā)在LiGaO2襯底上采用激光分子束外延(低溫工藝)生長(zhǎng)非極性GaN襯底，厚度2μm，作為復(fù)合襯底生長(zhǎng)GaN芯片，要求達(dá)到位錯(cuò)密度為1×106/cm2，內(nèi)量子效率85%，在35A/cm2下，光電轉(zhuǎn)換效率為65%，發(fā)光效率為150lm/W。
(6)獲獎(jiǎng)產(chǎn)品
美國(guó)Soraa公司采用中村修二的GaN-on-GaN技術(shù)制作LED替代燈，被SVIPLA評(píng)為“過(guò)去30年半導(dǎo)體材料科學(xué)取得最重要成就之一”。其LED晶體完整性提高1000多倍，能通過(guò)更大電流，使每盞燈使用一個(gè)LED器件成為可能。
小結(jié)：采用GaN-on-GaN同質(zhì)襯底生長(zhǎng)LED，其缺陷密度達(dá)(105~106/cm2)，可極大提升LED發(fā)光效率，而且加大電流密度時(shí)droop效應(yīng)不明顯，使普通照明實(shí)現(xiàn)采用單芯片LED光源，將LED核心技術(shù)推向新臺(tái)階。用中村修二的話來(lái)小結(jié)：我們相信有了GaN-on-GaN LED，我們已經(jīng)真正地譜寫了LED技術(shù)新篇章，即LED2.0版。
3.非極性、半極性襯底
藍(lán)寶石(Al2O3)晶面有極性C面、半極性M面、R面和非極性A面，現(xiàn)普遍采用C面襯底，容易生長(zhǎng)。由于晶格失配產(chǎn)生應(yīng)力，引起內(nèi)部極化場(chǎng)束縛載流子，以致內(nèi)量子效率低。采用非極性或半極性襯底，生長(zhǎng)難，可大幅度降低缺陷密度。采用非極性襯底生長(zhǎng)LED，可作顯示屏、電視、手機(jī)等背光源，沒(méi)有取向性，不要外置擴(kuò)散片。另外還可用于生長(zhǎng)綠光LED、激光器和基于GaN的太陽(yáng)能電池，以下介紹幾項(xiàng)主要研究成果。
(1)非極性、半極性藍(lán)寶石襯底
英國(guó)塞倫光電采用非極性藍(lán)寶石上生長(zhǎng)LED，大幅度降低缺陷密度，其外延片的光轉(zhuǎn)換效率可提高7倍，而且該結(jié)構(gòu)在不同電流下不會(huì)發(fā)生波長(zhǎng)漂移，大幅度提高亮度而有效改善流明/美元值。
(2)“npola”LED
首爾半導(dǎo)體采用非極性GaN襯底生長(zhǎng)LED稱為“npola”LED，在1mm2芯片上實(shí)現(xiàn)500lm的光通量(在較大電流下)，首爾半導(dǎo)體CEO李貞勛說(shuō)：同一表面的亮度大幅改善5倍，未來(lái)可提高10倍以上，是LED光源的終極目標(biāo)。
(3)非極性GaN襯底
三菱化學(xué)采用非極性GaN襯底生長(zhǎng)藍(lán)光LED，抑制晶格缺陷，其缺陷密度最少僅為1×104/cm2，并在大電流下光輸出功率不易下降。計(jì)劃目標(biāo)，在1mm2芯片發(fā)光亮度可達(dá)1000lm光通量。
(4)非極性、半極性GaN襯底產(chǎn)業(yè)化
住友公司宣布已開發(fā)半極性、非極性GaN襯底材料，并掌握批量生產(chǎn)技術(shù)，可提供制作白光LED的半極性、非極性襯底。
(5)紫外LED采用非極性襯底
首爾半導(dǎo)體采用非極性GaN襯底開發(fā)紫外LED并與R、G、B熒光粉組合可實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)的白光照明和色彩表現(xiàn)范圍大的背光源，計(jì)劃利用非極性GaN襯底來(lái)實(shí)現(xiàn)高發(fā)光效率的紫外LED。
小結(jié)：采用半極性、非極性藍(lán)寶石和GaN襯底生長(zhǎng)LED的核心技術(shù)，已取得突破性進(jìn)展，有可能在1mm2芯片上實(shí)現(xiàn)1000lm光通量，采用單芯片作為一盞LED燈的光源成為可能，同時(shí)會(huì)極大地提升性價(jià)比，改善美元/流明值。
4.芯片新結(jié)構(gòu)
LED核心技術(shù)除了襯底、外延技術(shù)外，還有LED芯片結(jié)構(gòu)新技術(shù)，目前除了通用的正裝芯片結(jié)構(gòu)外，主流的芯片結(jié)構(gòu)還有倒裝結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)等。芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是考慮如何提高外量子效率，即芯片的光取效率，提高芯片散熱性能以及在降低成本上進(jìn)行采用新結(jié)構(gòu)新工藝。芯片有很多種新結(jié)構(gòu)，下面介紹部分成熟的芯片結(jié)構(gòu)和單芯片發(fā)白光的新結(jié)構(gòu)。
(1)六面體發(fā)光芯片
六面體發(fā)光芯片是較典型的一種結(jié)構(gòu)，指芯片的六個(gè)面全部出光，采用多面表面粗化技術(shù)，減少界面對(duì)光子的反射，減少光子在芯片內(nèi)部多次反射時(shí)被吸收，提高光取率，從而提高外量子效率。
(2)DA芯片結(jié)構(gòu)
Cree公司利用SiC襯底優(yōu)勢(shì)，不斷改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)及工藝，取得了實(shí)質(zhì)性突破。已推出的DA系列產(chǎn)品，采用SiC透明襯底作為發(fā)光面，在SiC襯底上制作3D結(jié)構(gòu)，即在SiC基板的外側(cè)設(shè)置V字形溝槽，從V字溝槽一側(cè)發(fā)光，以增強(qiáng)高折射率SiC襯底的光取效果，而且是大電流倒裝芯片，發(fā)光層一側(cè)與封裝接合，獲得高質(zhì)量的散熱性，采用共晶焊、無(wú)金線，面積幾乎是原來(lái)的一半，顯著降低成本，實(shí)現(xiàn)雙倍性價(jià)比。并在第三代碳化硅技術(shù)SC3平臺(tái)上，采用匹配的最新封裝技術(shù)，于2013年2月宣布獲得光效達(dá)276lm/W(在350mA下，色溫4401K)。
(3)單芯片白光技術(shù)
幾年前已提出單芯片發(fā)多色光的技術(shù)方案，但結(jié)果不理想。這次三星公司采用納米級(jí)的六角棱錐結(jié)構(gòu)技術(shù)做出白光LED，可以實(shí)現(xiàn)半極性、非極性襯底上生長(zhǎng)GaN，有利于光取的提升，因納米結(jié)構(gòu)微小能有效降低應(yīng)變，達(dá)到更佳的晶體質(zhì)量，而且散熱性能好。同時(shí)發(fā)綠光、黃光、紅光，其內(nèi)量子效率分別為61%、45%、29%。實(shí)現(xiàn)單芯片發(fā)多色光組合白光LED，取得突破性進(jìn)展。通過(guò)改進(jìn)提高，如實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將會(huì)提高光色質(zhì)量和避免波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移引起光能損失，并可減少封裝工藝，提高封裝可靠性和降低封裝成本，成為實(shí)現(xiàn)白光LED的另一條技術(shù)路線。
小結(jié)：LED芯片結(jié)構(gòu)研發(fā)方面不斷有新結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，在提高光效、散熱性能、降低成本上不斷有所突破。更要關(guān)注單芯片發(fā)多色光組合成白光LED的研發(fā)進(jìn)展，如實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將是LED照明技術(shù)發(fā)展中另一條可行的技術(shù)路線。
5.襯底、外延新技術(shù)
在LED照明技術(shù)發(fā)展上有很多是開創(chuàng)性的研究工作，并且已取得可喜的研究成果，以下介紹幾種在LED襯底、外延核心技術(shù)研究中的新技術(shù)。
(1)外延偏移生長(zhǎng)技術(shù)
美國(guó)加州大學(xué)采用掩膜及分層偏移技術(shù)生長(zhǎng)低位錯(cuò)GaN，如圖1所示。
圖 1 掩膜及分層偏移技術(shù)生長(zhǎng)低位錯(cuò) GaN 示意圖
示意圖中SiO2厚200nm，SiNX厚120nm。先低溫530℃生長(zhǎng)25nm成核層，之后在1040℃下外延GaN，進(jìn)行偏移生長(zhǎng)，阻檔位錯(cuò)生長(zhǎng)，可獲位錯(cuò)密度為7×105個(gè)/cm2，可極大提高內(nèi)量子效率，減少droop效應(yīng)。在外延上采用創(chuàng)新技術(shù)，取得突破性進(jìn)展，將極大提高LED性能指標(biāo)，主要是光效和可靠性。這種外延方法也用于制造激光器件。
(2)3D硅基GaN技術(shù)
據(jù)“LED科技”2013年3月報(bào)道：Aledia公司發(fā)布采用3D硅基GaN microwire技術(shù)，制造3D硅基LED芯片(有立體芯片結(jié)構(gòu)示意圖)的成本僅為傳統(tǒng)2D平面LED的五分之一。該技術(shù)基于升級(jí)了microwire生產(chǎn)工藝，采用大尺寸圓晶和低成本材料的解決方案，該技術(shù)已在法國(guó)LETI-CEA公司開發(fā)6年，可與硅CMOS技術(shù)兼容，可直接在現(xiàn)有高性能硅加工廠生產(chǎn)，目前已獲融資1000萬(wàn)歐元。
(3)氧化β-Ga2O3襯底
氧化鎵Ga2O3具有多種結(jié)構(gòu)形式：α、β、γ、δ、ε等，其中β結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，禁帶寬度為4.8~4.9ev，現(xiàn)已做出高品質(zhì)、低缺陷密度Ga2O3 MOSFET，具有優(yōu)異器件潛力。
日本田村制作及子公司光波公司采用β-Ga2O3襯底生長(zhǎng)GaN藍(lán)光加熒光粉，芯片尺寸2mm×2mm，加6A電流，其可獲500lm光通量，計(jì)劃目標(biāo)達(dá)2000~3000lm。β-Ga2O3具有如下三大優(yōu)點(diǎn)：其一，β-Ga2O3基板是高導(dǎo)電性，可作垂直結(jié)構(gòu)，低電阻、低熱阻，可用大電流驅(qū)動(dòng)。其二，β-Ga2O3基板成本低，采用溶液生長(zhǎng)法，比GaN襯底采用HVPE法的氣相生長(zhǎng)更容易，成本更低。其三，生長(zhǎng)的基板質(zhì)量更高，更適合大尺寸生長(zhǎng)。目前已實(shí)現(xiàn)β-Ga2O3基板2″片產(chǎn)業(yè)化,計(jì)劃2014年出4″產(chǎn)品，2015年產(chǎn)業(yè)化，并進(jìn)一步開發(fā)6″產(chǎn)品。
小結(jié)：上述介紹幾種新技術(shù)研究成果，是具有開拓性的創(chuàng)新成果，一旦產(chǎn)業(yè)化，將會(huì)是顛覆性的技術(shù)突破，開辟了LED照明技術(shù)發(fā)展上另一條重要的技術(shù)路線。
6.發(fā)光新材料
隨著新材料、新技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)很多新材料發(fā)光體，將來(lái)有可能進(jìn)入照明領(lǐng)域，與LED照明競(jìng)爭(zhēng)。以下簡(jiǎn)要介紹幾種新發(fā)光材料。
(1)有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)
OLED行業(yè)內(nèi)均有了解，在此不必描述，當(dāng)前已批量應(yīng)用于小屏幕顯示器，并進(jìn)軍大屏顯示和照明領(lǐng)域，目前OLED有效的光效一般在30~60lm/W，并逐步提高，目前很多單位進(jìn)行OLED照明研發(fā)，并取得可喜成果，東芝公司2012年6月發(fā)布7×8cm2?OLED照明產(chǎn)品，其光效達(dá)90lm/W，可與熒光粉美，將在特種照明領(lǐng)域獲得應(yīng)用。據(jù)國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)：OLED照明市場(chǎng)規(guī)模于2021年將達(dá)400多億美元，另一機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)于2018年達(dá)400億美元。現(xiàn)階段主要問(wèn)題除某些技術(shù)外，價(jià)格偏高，但前景是樂(lè)觀的。
(2)量子點(diǎn)發(fā)光技術(shù)
量子點(diǎn)(Quantun Dot，QD)是用納米技術(shù)制作的，QD顆粒一般在2~12nm之間，量子點(diǎn)發(fā)光體由發(fā)光核、半導(dǎo)體殼、有機(jī)配位體組成，在電或短波光的激發(fā)下會(huì)發(fā)射不同波長(zhǎng)的光，接近連續(xù)可見光光譜，QD發(fā)光核尺寸越小，發(fā)的光越偏藍(lán)光，越大越偏紅光，可發(fā)出鮮艷的紅、綠、藍(lán)光，例如CdSe(硒化)當(dāng)顆粒2.1nm時(shí)發(fā)藍(lán)光，當(dāng)5nm時(shí)發(fā)射綠光，接近10nm時(shí)發(fā)射接近紅光。量子點(diǎn)發(fā)光技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)：發(fā)射可見光至紅外光、比有機(jī)物發(fā)光更穩(wěn)定、發(fā)光半高寬(FWHM)低于20nm、內(nèi)量子效率可達(dá)90%、與有機(jī)傳輸層混合后可制作量子點(diǎn)LED，即QLED。
目前量子點(diǎn)發(fā)光效率接近OLED水平，其外量子效率達(dá)20%，可進(jìn)入實(shí)用階段，QD發(fā)光具有廣泛應(yīng)用，除了在顯示及照明領(lǐng)域外，還可應(yīng)用于藍(lán)光激光、光感測(cè)元件、單電子晶體管、記憶儲(chǔ)存等，現(xiàn)階段QD主要在顯示應(yīng)用上取得顯著效果，將最有希望替代OLED。在照明方面與LED結(jié)合產(chǎn)生色彩豐富，十分明亮的暖白光。
(3)超薄非結(jié)晶電介層發(fā)光芯片
美國(guó)德洲農(nóng)機(jī)大學(xué)化學(xué)工程系開發(fā)一種發(fā)光芯片、采用在硅晶圓上進(jìn)行室溫濺射沉積方法，制成電介質(zhì)膜，其中有納米晶層，可提升發(fā)光密度，在工藝中可與硅IC兼容，工藝簡(jiǎn)單，是個(gè)新的納米發(fā)光材料技術(shù)。雖然目前發(fā)光壽命較短，但將來(lái)會(huì)更長(zhǎng)。
小結(jié)：上述幾種發(fā)光新材料，OLED遲早會(huì)進(jìn)入照明領(lǐng)域，而且會(huì)在特殊照明領(lǐng)域中占有一定比例。至于量子點(diǎn)及超薄介質(zhì)中的發(fā)光層均為納米級(jí)量子層，是納米發(fā)光新材料。應(yīng)要高度重視納米發(fā)光技術(shù)的研究和開發(fā)，將來(lái)有可能進(jìn)入照明領(lǐng)域，并替代LED照明產(chǎn)品。
三、降低外延、芯片成本的技術(shù)
降低外延、芯片成本對(duì)推廣LED應(yīng)用至關(guān)重要，將推動(dòng)LED照明產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，要降低外延、芯片成本除了規(guī)模化生產(chǎn)外，主要在技術(shù)創(chuàng)新上下功力。降低外延、芯片成本還有很大潛力，應(yīng)該從采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝著手，使成本大幅度下降。
美國(guó)SSL計(jì)劃提出成本目標(biāo)：LED成本2015年達(dá)2美元/klm，2020年達(dá)0.7美元/klm，LED成本的終極目標(biāo)為0.5美元/klm，這也是業(yè)內(nèi)的基本共識(shí)，認(rèn)為是可行的。以下將如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)成本目標(biāo)的有關(guān)設(shè)備、技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行探討。
1.提高M(jìn)OCVD設(shè)備性能
對(duì)現(xiàn)有MOCVD設(shè)備要不斷進(jìn)行改進(jìn)提高，主要是增強(qiáng)設(shè)備自動(dòng)化水平，科學(xué)的溫度管理和氣流控制，改進(jìn)工藝、縮短生長(zhǎng)周期、節(jié)省原材料、減少維修率，提高產(chǎn)能、提高外延的穩(wěn)定性、一致性和成品率等。兩個(gè)最大的生產(chǎn)企業(yè)Veeco和Aixtron對(duì)上述問(wèn)題均做過(guò)不同承諾，要不斷降低成本，Veeco提出計(jì)劃用6年時(shí)間讓外延成本下降3倍。
2.大電流密度技術(shù)
該技術(shù)前幾年已投入大量研發(fā)力量，目前基本成熟，主要是解決外延GaN的晶格完整性，即位錯(cuò)密度低，芯片結(jié)構(gòu)合理，具有較好散熱性能，關(guān)鍵是減少droop效應(yīng)，即在大電流密度下光效較少衰減。目前很多公司均可提供電流大于額定值2~3倍的LED產(chǎn)品，其光效仍可達(dá)100lm/W，droop有所下降，還不夠理想，必須在技術(shù)上進(jìn)一步改進(jìn)、創(chuàng)新，使晶格完整性、散熱性能有所提高，droop進(jìn)一步下降，使LED產(chǎn)品在電流密度大于額定值6~7倍以上，光效可達(dá)120lm/W以上，droop很小，即可實(shí)現(xiàn)普通照明燈具只用1只LED芯片，其亮度相當(dāng)于60W白熾燈的水平。這樣就可以大幅度降低燈具中的LED的成本。
3.大圓片技術(shù)
相關(guān)資料顯示：如采用4″藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)LED的成本為100，那么采用6″襯底生長(zhǎng)LED的成本為75%，采用8″硅襯底生長(zhǎng)LED的成本為48%，所以采用大圓片技術(shù)是降低外延、芯片成本的有效辦法，為此介紹這兩種大圓片技術(shù)。
(1)8″硅襯底生長(zhǎng)技術(shù)
全球相關(guān)大公司均已投入該技術(shù)研發(fā)，并取得很好成果，有很大技術(shù)難度，主要是由于晶格失配較大，產(chǎn)生應(yīng)力，在大面積硅片上生長(zhǎng)LED產(chǎn)生較大彎曲度、翹曲度，極大影響LED性能，經(jīng)過(guò)多年努力，現(xiàn)已基本解決。Aixtro已推出專門適用于8″硅襯底上生長(zhǎng)GaN的AixG5+外延爐，其尺寸為5×200mm，該技術(shù)可用現(xiàn)有8″硅生產(chǎn)設(shè)備，簡(jiǎn)化工藝流程，將大幅度降低成本。三星已宣布采用該技術(shù)LED內(nèi)量子效率達(dá)65%，普瑞稱輸出光功率達(dá)614mw(在1.1×1.1mm2、300mA下，VF=3.1V)，東芝與普瑞合作，于2012年12月宣布可提供TL1F1系列8″硅襯底生長(zhǎng)1W LED芯片，產(chǎn)能為1000萬(wàn)只/月。目前在8″硅襯底上生長(zhǎng)LED，由于技術(shù)問(wèn)題、成品率還不高，要在技術(shù)上、工藝上不斷改進(jìn)、創(chuàng)新，提高成品率，使其成本達(dá)到4″藍(lán)寶石上生長(zhǎng)LED的50%左右。
(2)6″LED圓片量產(chǎn)引入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
現(xiàn)階段采用6″圓片生長(zhǎng)LED的比例還較少，由于采用6″圓片生產(chǎn)成本會(huì)比4″圓片減少25%，所以相關(guān)部門預(yù)測(cè)在幾年內(nèi)，采用6″圓片生產(chǎn)LED將占50%以上，將成為主流，現(xiàn)在成品率一般為65~70%，新一代6″設(shè)備的成品率會(huì)更高，生產(chǎn)成本會(huì)降得更多。為了推進(jìn)6″圓片的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，正在制定6″圓片自動(dòng)化量產(chǎn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的制定和執(zhí)行，將會(huì)節(jié)省設(shè)備及簡(jiǎn)化工藝流程，極大地提高生產(chǎn)效率，降低外延、芯片成本。
4.提高LED發(fā)光效率的性價(jià)比
以上介紹多種開創(chuàng)性的創(chuàng)新技術(shù)成果，如采用PSS襯底、非極性、半極性襯底、芯片新結(jié)構(gòu)、外延新技術(shù)等，均為提高LED內(nèi)量子效率和芯片發(fā)光效率，如上所述，假如1只芯片能發(fā)射1000~2000lm光通量，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，就極大地提高LED發(fā)光效率的性價(jià)比，將會(huì)成倍下降美元/klm值，實(shí)現(xiàn)外延、芯片成本的大幅度下降。
小結(jié)：要降低外延、芯片成本主要從技術(shù)創(chuàng)新上下功夫，行內(nèi)已經(jīng)預(yù)計(jì)到現(xiàn)階段降低外延、芯片成本有很大潛力，國(guó)外有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)最近十年，外延成本每年平均下降25%，Strategies Unlimited公司預(yù)測(cè)2016年LED占燈具成本為5%。
四、結(jié)束語(yǔ)
LED技術(shù)的不斷發(fā)展，其標(biāo)志性技術(shù)指標(biāo)發(fā)光效率實(shí)驗(yàn)室水平不斷被刷新，已推動(dòng)LED產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。近幾年不斷有很多開創(chuàng)性的技術(shù)研究成果出現(xiàn)，將LED技術(shù)發(fā)展推向新臺(tái)階，要高度重視LED新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，我們要加強(qiáng)該學(xué)科的基礎(chǔ)研究工作，逐步掌握LED襯底、外延、芯片的核心技術(shù)，不斷在技術(shù)上、工藝上有所創(chuàng)新，提高LED發(fā)光效率的性價(jià)比，降低外延、芯片成本，推進(jìn)LED應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。（選自《半導(dǎo)體照明》雜志 2013年 第41期）
