高亮度LED芯片矽襯底漸成主流

高亮度LED主要分為紅外光的GaAs體系和AlGaAs體系，紅、橙、黃、綠色的AlGaInP體系，綠色和藍色的InGaN體系，以及紫外光的GaN和AlGaN體系。目前InGaN體系的藍光光效已經較高，再結合四元系的紅黃光，已經開始廣泛地應用於照明、背光、顯示、交通指示燈等領域。紫外光LED有著廣闊的市場應用前景，半導體紫外光源在照明、殺菌、醫療、印刷、生化檢測、高密度的資訊儲存和保密通訊等領域具有重大應用價值。紅外光LED主要包括峰值波長從850nm到940nm的紅外LED，廣泛應用於遙控器、驅動器、電腦滑鼠、感測器、安全設備和顯示器背光等領域，紅外LED需求持續增長的驅動力主要來源於家用電器、安全系統和無線通訊產品等。

白光應用是藍光LED晶片的重要市場，也是最為重要的發展方向，其採用藍光晶片加YAG黃色螢光粉從而形成白光光源。目前，國際LED大廠在大功率藍光晶片方面有著較為明顯的優勢，而國內LED晶片企業目前主要是在中小功率藍光晶片方面有較大的發展，但由於前幾年的過度投資引起了產能過剩，導致中小功率藍光晶片市場出現了較為嚴重的“價格戰”。對於藍光LED晶片而言，主要的發展方向為矽基LED晶片、高壓LED晶片、倒裝LED晶片等。對於中小功率LED晶片市場而言，目前主流市場的趨勢為0.2-0.5W市場，封裝形式包括2835、5630以及COB封裝等。對於其它細分領域，如垂直結構的晶片，封裝後可以應用於指向性照明應用，如手電筒、礦燈、閃光燈、射燈等燈具產品中。

矽襯底LED晶片漸受關注

目前市場上主流的藍光晶片一般都是在藍寶石襯底上生長，其中以日本日亞公司為代表;此外還有一種藍光晶片是在碳化矽襯底上生長，以美國科銳公司為代表。

近年來矽襯底上生長的藍光LED晶片越來越受到人們的關注。矽襯底由於可以採用IC廠的自動生產線，比較容易採納目前IC工廠的6寸和8寸線的成熟工藝，再加上大尺寸矽襯底成本相對低廉，因而未來矽襯底LED晶片的成本預期會大幅度下降，也可促進半導體照明的快速滲透。矽基LED晶片在特性有下列特點：

1.垂直結構，採用銀反射鏡鏡，可使電流分佈更均勻，從而實現大電流驅動;

2.矽襯底散熱性好，有利於晶片的散熱;

3.具有朗伯發光形貌，出光均勻，容易進行二次光學;

4.適於陶瓷基板封裝;

5.適合於LED閃光燈和方向性較強的照明應用，可應用於室內、室外和可擕式照明市場。

在矽基LED晶片的開發上，晶能光電在2009年就曾推出小功率矽基LED晶片，被廣泛地應用於數碼顯示領域。2012年6月晶能光電在廣州發佈了新一代大功率矽基LED晶片產品，引起了國內外LED產業界的高度關注，推出了包括28mil、35mil、45mil和55mil在內的四款矽基大功率LED晶片，其中45mil晶片達到了120lm/w的光效，並在年底達到了130lm/w，且可靠性良好。矽基LED晶片陶瓷封裝後，與國際知名的產品相比，具有良好的性價比，引起了國內外封裝廠和LED燈具廠的極大興趣。據報導夏普和普瑞也宣佈於2012年底實現了矽襯底白光晶片的量產，推出了兩款白光晶片;另外，包括三星、歐司朗、晶電等大廠也正積極從事於矽基LED晶片的研究。

LED市場正處於高速發展的階段，LED晶片成本的進一步下降將促進半導體照明走入全家萬戶。由於矽襯底具有成本低、IC廠製造工藝成熟等特點，隨著6-12寸大尺寸矽基LED技術的不斷發展，矽基LED技術將在降低成本和提高生產效率方面具有巨大的優勢，這對於LED產業會產生重大影響。

高亮度晶片面臨的發展瓶頸

當前，半導體照明市場的進一步發展要求藍光LED晶片的光效要不斷提升，成本要不斷下降。目前科銳基於碳化矽的LED晶片已經實現了200lm/w光效產品的量產，研發水平光效可以達到276lm/w。在LED晶片成本下降和光效提升的這一競賽中，目前正遇到以下幾個發展瓶頸。

第一是藍光晶片存在的Droop效應。在大電流密度條件下，發光二極體的外量子效率會下降，有試驗表明Droop效應是由包括俄歇效應在內的多種原因引起，這個效應限制了藍光晶片在大電流密度下的使用，從而阻礙了流明成本的下降。

第二是綠色能隙(Greengap)和紅色能隙(Redgap)。當波長從藍光進入到綠光波段時，LED的量子效率會下降，如530nm的綠光量子效率下降很快;對於紅光而言，在深紅色光譜中內部量子效率可以達到100%，但對理想白光光源中的橘紅色發光波長(如614nm)而言，其效率迅速下降。這些效應限制了綠光和紅光晶片的光效提升，延緩了未來的高品質白光的產生。另外，綠光及黃光LED效率也受到本身極化場的衝擊，而這個效應會隨著更高的銦原子濃度而變得更強。

第三是外延的異質生長問題。由於外延生長時晶體中存在缺陷，形成大的位元錯密度和缺陷，從而導致光效下降和壽命下降。目前藍光晶片無論是碳化矽、藍寶石、矽襯底技術都是異質外延，在襯底和外延晶體之間存在晶格失配導致位錯，同時由於熱膨脹係數的差別在外延生長後的降溫過程中產生熱應力，導致外延層出現缺陷、裂紋、晶片彎曲等。襯底的品質直接影響著外延層的晶體品質，從而影響光效和壽命。如果採用GaN同質襯底進行外延生長，利用非極性技術，可最大限度地減少活性層的缺陷，使得LED晶片的電流密度比傳統晶片高5-10倍，大幅提高發光效率。據報導首爾半導體採用同質襯底開發的nPola新產品，與目前的LED相比，在相同面積上的亮度高出了5倍，但GaN同質襯底對於LED而言仍過於昂貴。

總體而言，在藍光LED晶片的未來發展上，倒裝晶片、高壓晶片、矽基晶片等都是未來的主要發展趨勢。倒裝晶片由於散熱好可以增大注入電流，不用打線可以提升產品在應用過程中的可靠性;高壓LED晶片由於可以更加匹配供電電壓能夠提高電源轉換效率，再加上定制的IC電源，最適合於LED球泡燈;矽基LED晶片由於可以在6寸或者8寸的矽襯底上進行外延生長，可以大幅度降低LED的成本，從而加速半導體照明應用時代的來臨。


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