浅析芯片发展瓶颈 高亮度LED芯片硅衬底渐成主流

高亮度LED主要分为红外光的GaAs体系和AlGaAs体系，红、橙、黄、绿色的AlGaInP体系，绿色和蓝色的InGaN体系，以及紫外光的GaN和AlGaN体系。目前InGaN体系的蓝光光效已经较高，再结合四元系的红黄光，已经开始广泛地应用于照明、背光、显示、交通指示灯等领域。紫外光LED有着广阔的市场应用前景，半导体紫外光源在照明、杀菌、医疗、印刷、生化检测、高密度的信息储存和保密通讯等领域具有重大应用价值。红外光LED主要包括峰值波长从850nm到940nm的红外LED，广泛应用于遥控器、驱动器、电脑鼠标、传感器、安全设备和显示器背光等领域，红外LED需求持续增长的驱动力主要来源于家用电器、安全系统和无线通讯产品等。

白光应用是蓝光LED芯片的重要市场，也是最为重要的发展方向，其采用蓝光芯片加YAG黄色荧光粉从而形成白光光源。目前，国际LED大厂在大功率蓝光芯片方面有着较为明显的优势，而国内LED芯片企业目前主要是在中小功率蓝光芯片方面有较大的发展，但由于前几年的过度投资引起了产能过剩，导致中小功率蓝光芯片市场出现了较为严重的“价格战”。对于蓝光LED芯片而言，主要的发展方向为硅基LED芯片、高压LED芯片、倒装LED芯片等。对于中小功率LED芯片市场而言，目前主流市场的趋势为0.2-0.5W市场，封装形式包括2835、5630以及COB封装等。对于其它细分领域，如垂直结构的芯片，封装后可以应用于指向性照明应用，如手电、矿灯、闪光灯、射灯等灯具产品中。

　　硅衬底LED芯片渐受关注

目前市场上主流的蓝光芯片一般都是在蓝宝石衬底上生长，其中以日本日亚公司为代表;此外还有一种蓝光芯片是在碳化硅衬底上生长，以美国科锐公司为代表。

近年来硅衬底上生长的蓝光LED芯片越来越受到人们的关注。硅衬底由于可以采用IC厂的自动生产线，比较容易采纳目前IC工厂的6寸和8寸线的成熟工艺，再加上大尺寸硅衬底成本相对低廉，因而未来硅衬底LED芯片的成本预期会大幅度下降，也可促进半导体照明的快速渗透。硅基LED芯片在特性有下列特点：

1.垂直结构，采用银反射镜镜，可使电流分布更均匀，从而实现大电流驱动;

2.硅衬底散热性好，有利于芯片的散热;

3.具有朗伯发光形貌，出光均匀，容易进行二次光学;

4.适于陶瓷基板封装;

5.适合于LED闪光灯和方向性较强的照明应用，可应用于室内、室外和便携式照明市场。

在硅基LED芯片的开发上，晶能光电在2009年就曾推出小功率硅基LED芯片，被广泛地应用于数码显示领域。2012年6月晶能光电在广州发布了新一代大功率硅基LED芯片产品，引起了国内外LED产业界的高度关注，推出了包括28mil、35mil、45mil和55mil在内的四款硅基大功率LED芯片，其中45mil芯片达到了120lm/w的光效，并在年底达到了130lm/w，且可靠性良好。硅基LED芯片陶瓷封装后，与国际知名的产品相比，具有良好的性价比，引起了国内外封装厂和LED灯具厂的极大兴趣。据报道夏普和普瑞也宣布于2012年底实现了硅衬底白光芯片的量产，推出了两款白光芯片;另外，包括三星、欧司朗、晶电等大厂也正积极从事于硅基LED芯片的研究。

LED市场正处于高速发展的阶段，LED芯片成本的进一步下降将促进半导体照明走入全家万户。由于硅衬底具有成本低、IC厂制造工艺成熟等特点，随着6-12寸大尺寸硅基LED技术的不断发展，硅基LED技术将在降低成本和提高生产效率方面具有巨大的优势，这对于LED产业会产生重大影响。

高亮度芯片面临的发展瓶颈

当前，半导体照明市场的进一步发展要求蓝光LED芯片的光效要不断提升，成本要不断下降。目前科锐基于碳化硅的LED芯片已经实现了200lm/w光效产品的量产，研发水平光效可以达到276lm/w。在LED芯片成本下降和光效提升的这一竞赛中，目前正遇到以下几个发展瓶颈。

第一是蓝光芯片存在的Droop效应。在大电流密度条件下，发光二极管的外量子效率会下降，有试验表明Droop效应是由包括俄歇效应在内的多种原因引起，这个效应限制了蓝光芯片在大电流密度下的使用，从而阻碍了流明成本的下降。

第二是绿色能隙(Greengap)和红色能隙(Redgap)。当波长从蓝光进入到绿光波段时，LED的量子效率会下降，如530nm的绿光量子效率下降很快;对于红光而言，在深红色光谱中内部量子效率可以达到100%，但对理想白光光源中的橘红色发光波长(如614nm)而言，其效率迅速下降。这些效应限制了绿光和红光芯片的光效提升，延缓了未来的高质量白光的产生。另外，绿光及黄光LED效率也受到本身极化场的冲击，而这个效应会随着更高的铟原子浓度而变得更强。

第三是外延的异质生长问题。由于外延生长时晶体中存在缺陷，形成大的位错密度和缺陷，从而导致光效下降和寿命下降。目前蓝光芯片无论是碳化硅、蓝宝石、硅衬底技术都是异质外延，在衬底和外延晶体之间存在晶格失配导致位错，同时由于热膨胀系数的差别在外延生长后的降温过程中产生热应力，导致外延层出现缺陷、裂纹、晶片弯曲等。衬底的质量直接影响着外延层的晶体质量，从而影响光效和寿命。如果采用GaN同质衬底进行外延生长，利用非极性技术，可最大限度地减少活性层的缺陷，使得LED芯片的电流密度比传统芯片高5-10倍，大幅提高发光效率。据报道首尔半导体采用同质衬底开发的nPola新产品，与目前的LED相比，在相同面积上的亮度高出了5倍，但GaN同质衬底对于LED而言仍过于昂贵。

总体而言，在蓝光LED芯片的未来发展上，倒装芯片、高压芯片、硅基芯片等都是未来的主要发展趋势。倒装芯片由于散热好可以增大注入电流，不用打线可以提升产品在应用过程中的可靠性;高压LED芯片由于可以更加匹配供电电压能够提高电源转换效率，再加上定制的IC电源，最适合于LED球泡灯;硅基LED芯片由于可以在6寸或者8寸的硅衬底上进行外延生长，可以大幅度降低LED的成本，从而加速半导体照明应用时代的来临。对于其它颜色而言，红光LED芯片和绿光LED芯片的光效都还有很大的提升空间，随着红光和绿光LED芯片光效进一步的提升，未来白光不一定就是目前的蓝光LED芯片加黄色荧光粉的形式，也可能是RGB或其它的形式，未来白光的封装方式也可能会发生很大的变化。

责编：李杰