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中外LED芯片技术差异大国产技术待提升

发布时间:2019-08-15 19:30:54

  目前,芯片技术的发展关键在于衬底材料和晶元生长技术。除了传统的蓝宝石、硅(Si)、碳化硅(SiC)衬底材料以外,氧化锌(ZnO)和氮化镓(GaN)等也是当前LED芯片研究的焦点。目前,市面上大多采用蓝宝石或碳化硅衬底来外延生长宽带隙半导体氮化镓,这两种材料价格都非常昂贵,且都为外国大企业所垄断,而硅衬底的价格比蓝宝石和碳化硅衬底便宜得多,可制作出尺寸更大的衬底,提高MOCVD的利用率,从而提高管晶产率。所以,为突破国际专利壁垒,中国研究机构和LED企业从硅衬底材料着手研究。

  但问题是,硅与氮化镓的高质量结合是LED芯片的技术难点,两者的晶格常数和热膨胀系数的巨大失配而引起的缺陷密度高和裂纹等技术问题长期以来阻碍着芯片领域的发展。

  无疑,从衬底角度看,主流衬底依然是蓝宝石和碳化硅,但硅已经成为芯片领域今后的发展趋势。对于价格战相对严重的中国来说,硅衬底更有成本和价格优势:硅衬底是导电衬底,不但可以减少管晶面积,还可以省去对氮化镓外延层的干法腐蚀步骤,加之,硅的硬度比蓝宝石和碳化硅低,在加工方面也可以节省一些成本。

  目前LED产业大多以2英寸或4英寸的蓝宝石基板为主,如能采用硅基氮化镓技术,至少可节省75%的原料成本。据日本三垦电气公司估计,使用硅衬底制作大尺寸蓝光氮化镓LED的制造成本将比蓝宝石衬底和碳化硅衬底低90%。

  国际间欧司朗、美国普瑞(BRIDGELUX)、日本莎姆克(SAMCOINC)等一流企业已经在大尺寸硅衬底氮化镓基LED研究上取得突破,飞利浦、韩国三星、LG、日本东芝等国际LED巨头也掀起了一股硅衬底上氮化镓基LED的研究热潮。其中,在2011年,美国普瑞在8英寸硅衬底上研发出高光效氮化镓基LED,取得了与蓝宝石及碳化硅衬底上顶尖水平的LED器件性能相媲美的发光效率160lm/W;在2012年,欧司朗成功生产出6英寸硅衬底氮化镓基LED。

  反观中国,LED芯片企业技术的突破点主要还是提高产能和大尺寸蓝宝石晶体生长技术,除了晶能光电在2011年成功实现2英寸硅衬底氮化镓基大功率LED芯片的量产外,中国芯片企业在硅衬底氮化镓基LED研究上无大的突破,目前中国LED芯片企业还是主攻产能、蓝宝石衬底材料及晶圆生长技术,三安光电、德豪润达、同方股份等中国芯片巨头也大多在产能上取得突破。

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