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深度对比蓝宝石衬底/碳化硅衬底/硅衬底三种技术路线

2016-02-22 08:46
flinay
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  在LED的制备过程中,上游的衬底材料是决定LED颜色、亮度、寿命等性能指标的主要因素。衬底材料表面的粗糙度、热膨胀系数、热传导系数、极性的影响、表面的加工要求以及与外延材料间晶格间是否匹配,这些因素与高亮度LED的发光效率与稳定性密切相关。因此,衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石,衬底材料的技术路线必然会影响整个产业的技术路线,是整个产业链的关键。

  目前半导体照明主要有三条技术路线,分别是以日本日亚化学为代表的蓝宝石衬底LED技术路线、以美国Cree为代表的碳化硅衬底LED技术路线,以及以中国晶能光电为代表的硅衬底LED技术路线。2016年1月8日,南昌大学联合晶能光电的江风益团队“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”技术项目获得2015年度国家科学技术奖技术发明类唯一的一等奖,LED业界中国芯的梦想再次被激发。硅衬底技术项目的获奖,说明硅衬底已被国家证实可行,并已提升到国家战略层面。硅衬底或将迎来规模化的商业应用。

  表1 GaN基LED三种主要衬底材料对比

 
  图1 LED各种衬底材料的市场占有率(数据来源:YOLE,中信建投证劵研究发展部)

  蓝宝石(Al2O3)衬底

  2014 年10 月7 日瑞典皇家科学院宣布:赤崎勇、天野浩和中村修二因发明“高效蓝色发光二极管”获得2014 年诺贝尔物理学奖。这3 位科学家的突出贡献在于,1993年他们突破了在蓝宝石衬底上制备高光效GaN 基蓝光LED 的核心技术。20多年来,基于蓝宝石衬底的GaN 基蓝光LED技术和产业发展迅猛,占据了衬底市场90%以上的市场份额,成为目前市场上的主流技术路线。

  蓝宝石具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性,强度高、硬度大、耐冲刷。作为衬底材料,蓝宝石具有高温下(2000℃)化学性质稳定好、可见光不易吸收、价格便宜等优点。

  表2 蓝宝石衬底材料性能


 
  蓝宝石衬底也有缺点,比如:第一,晶格失配和热应力失配会导致外延层中产生大量缺陷,同时给后续的器件加工工艺造成困难;第二,蓝宝石是绝缘体,电阻率很大,无法制成垂直结构的器件;第三,通常只在外延层上表面制作N型和P型电极,造成了有效发光面积减少,材料利用率降低;第四,蓝宝石的硬度非常高,仅次于金刚石,难以对它进行薄化和切割;第五,蓝宝石导热性能不是很好,因此在使用LED器件时,会传导出大量的热量,对面积较大的大功率器件,导热性能是一个非常重要的考虑因素。

  目前蓝宝石衬底的技术发展比较成熟,不足方面虽然很多,但都被逐个克服,例如:过渡层生长技术克服了较大的晶格失配问题;采用同侧 P、N 电极克服了导电性能差的问题;不易切割的问题可以通过雷射划片机解决;由于热失配导致的对外延层的压力问题也可以得到解决。不过,江风益认为,蓝宝石衬底很难做到8 英寸至12 英寸等大尺寸外延,且因蓝宝石散热性能差,又难以剥离衬底,故在大功率LED 方面具有性能局限性。

  蓝宝石衬底技术以日亚化学、丰田合成为代表。在蓝宝石晶体和晶片制备方面,国外主要集中在日本、美国、俄罗斯等国家,2010 年俄罗斯首次展出了200 mm 蓝宝石晶片。我国相对于国外存在较大差距,代表企业有元亮科技、同人电子、协鑫光电、重庆四联光电、中镓半导体、奥瑞德等。在外延方面,国内除了清华大学、北京大学、南昌大学、中科院半导体所等研究单位外,三安光电、华灿光电、上海北大蓝光、南昌欣磊光电、江西联创光电等企业在进行外延片的生产与研究。

  蓝宝石材料目前生产能力过剩,低端市场竞争激烈。为延长LED产业链,应当高起点大力推进蓝宝石图形衬底发展。重点发展纳米级图形化蓝宝石衬底(PSS)、半球形和锥形图形衬底,以及激光诱导湿法刻蚀(LIBWE)、干法刻蚀等技术。同时,推动蓝宝石图形衬底相关的光刻和刻蚀以及相关检测设备、材料等发展。

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