基于氮化镓GaN硅衬底的LED - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

应用专题lA P P L I c A T l 。N s 基于氮化镓G aN 硅衬底的L E D 一陈振 摘要 蓝宝石虽然稳坐衬底材料的龙头地位。但随着产业的不断发展，竞争日趋激烈，基于蓝 宝石衬底的技术发展变缓。再加上其成本高昂、专利壁垒等问题，众多专家与工程师开始寻求 性价比更高的解决方案：不同的衬底材料，硅衬底被业界寄予了很高的厚望。 【关键词】蓝宝石G a N 基L E D 硅衬底 【中图分类号】T N 3 0 4 【文献标识码】A 【文章编号】16 7 4 - 2 5 8 3 ( 2 0 15 ) 0 4 - 0 0 3 2 - 0 2 陈振 目前，蓝宝石虽然稳坐衬 底材料的龙头地位，但随着产业 的不断发展，竞争日趋激烈，基 于蓝宝石衬底的技术发展变缓， 再加上其成本高昂、专利壁垒等 问题，众多专家与工程师开始寻 求性价比更高的解决方案：不同 的衬底材料。其中，硅衬底被业 界寄予了很高的厚望，不少大厂 也在跃跃欲试，但仍然鲜有实质 性的进展，并且在2 0 1 4 年曾有媒 体报道指出，硅衬底将“胎死腹 中”。 在中村的研究小组里面的工 作经历和研究对于自己今后在产 业界的工作非常有帮助，这些研 究经验是实际的、工作中用得到 的技术。 离开中村的实验室之后，加 入了美国一家L E D 公司，并在该 3 2I 集成电路应用2 0 1 5 年4 月 公司制作了硅衬底上的原型L E D 器件。当看到第一个原型器件亮 度就达到了蓝宝石的5 0 ，我们 判断硅衬底这条技术路线是可行 的。后来了解到中国的晶能光电 也在做硅衬底L E D 器件，且早在 2 0 0 9 年就已经产业化。作为一名 技术人员，我深刻地知道在硅衬 底上生长L E D 材料的困难，而中 国却诞生了这样了不起的技术， 并超前全球其他厂家，再加上对 L E D 技术的一种追求，我加入了 晶能。 下一个被争抢的技术 从目前衬底材料的使用来 看，除了C r e e 采用碳化硅衬底、 晶能采用硅衬底( S i ) ，世界上 绝大多数的芯片制造商都采用蓝 宝石衬底。几家国际大厂也在大 力跟进硅衬底大功率L E D 芯片技 术，如东芝购买了普瑞的技术后 切人硅衬底，三星宣布的技术路 线和产品是硅衬底的芯片。种种 市场迹象和技术趋势表明，硅衬 底会是L E D 领域下一个被争抢的 技术。 硅衬底能在蓝宝石衬底垄 断半壁江山的情况下另开辟出一 片新天地，硅的优势首先是衬底 材料本身的优势。硅衬底材料具 有低成本、大尺寸、可导电的特 点。硅衬底比蓝宝石更加适合于 大尺寸外延。蓝宝石衬底技术从2 寸转向6 寸、8 寸时技术壁垒非常 高，生产成本不降反升。而硅衬 底却恰恰相反，可以在大尺寸上 制作，从2 寸到6 寸，甚至更大尺 寸，从而避免边缘效应，大幅度 提高良率。硅集成电路产业不断 提高衬底尺寸，从8 寸到1 0 寸，乃 至1 2 寸也是这个原因。另外，器 件结构的优势。硅衬底L E D 是垂 直结构，单面发光，可使硅衬底 L E D 的光斑好，方向容易管控， 电流扩散快，适合大电流驱动。 良好的导热性能可以使制造的 L E D 器件的散热更好。 对于小功率硅衬底L E D 芯 片，封装时可以少打一根金属 线，电极所占发光面积更小、可 靠性更高，所以其在数码、显示 领域等需要密集排列的小芯片市 场具有比较大的优势，产品已经 进人大众汽车等品牌，用于仪表 盘的背光。 对于大功率硅衬底L E D 芯 片，单面出光容易控制方向，做 万方数据 出的应用产品射程远、光品质好， 极为适合需要高品质出光的高端照 明领域应用，在汽车大灯、手机闪 光灯、电视背光、高端便携式照 明、高端室内照明等大功率L E D 应 用领域具有性能优势。由于硅衬底 L E D 芯片采用剥离方法彻底消除了 发光薄膜和衬底之间的应力，加之 垂直结构电流扩散快，单位面积承 载电流的能力强，适用于大功率 L E D 的应用。 缓解应力降低位错密度 硅衬底和其他两种衬底，碳化 硅和蓝宝石相比，最大的技术难点 是晶格失配和热失配。但这也正是 在硅衬底上制作G a NL E D 对一个技 术人员的吸引力和魅力所在。 硅和氮化镓的晶格失配最大， 是碳化硅的几倍。大的晶格失配会 导致氮化镓材料中出现较高的位错 密度，也正是这个原因使得人们在 很长一段时间内认为硅衬底是一条 走不通的技术路线。 另外，硅衬底和氮化镓之间有 很大的热失配，这个问题导致在高 温生长时两者达到一定的匹配，可 是降到室温后，由于两者的热膨胀 系数差异很大，会导致龟裂等问题 的产生。 面对这两大技术难点，晶能团 队的办法是：采用多种缓冲层来缓 解应力，以及多种复杂的位错过滤 层来降低位错密度。 目前硅衬底的光效已经可以 做得和蓝宝石一样好。晶能硅衬底 L E D 研究水平达到了16 0 1 m W ，生 产水平达到了1 4 5 1 m W ，这也是目 前国际上的最高水平。 突围国际专利壁垒 硅衬底完整的专利保护是未 来我国L E D 面临专利风险的有效武 器。硅衬底L E D 技术从衬底源头上 避开了蓝宝石衬底和碳化硅衬底技 A P P L c A T l 。N sI 应用专题 术路线所形成的国际专利围剿，可 从小功率L E D 芯片技术到高难度的 大功率L E D 芯片技术，形成自有的 专利体系。晶能光电围绕硅衬底 L E D 技术已经申请或授权国际国内 专利2 3 0 多项，其中美国发明专利2 9 项、欧i ) H 4 3 项。这对于我们规避国 外大厂的专利诉讼是有效的武器。 目前，全球L E D 产业格局成 美国、亚洲、欧洲三足鼎立之势， 美国的C R E E 、欧洲的欧司朗、飞 利浦( P h i l i p sL u m i l e d s ) 、日本的 日亚化学、丰田合成等五大厂商， 掌控了全球L E D 市场，垄断了G a N 基蓝光L E D 、白光L E D 的核心技术 和专利。这些厂商为了维持竞争优 势、保持自身市场份额而申请的专 利，几乎覆盖了原材料、设备、封 装、应用在内的整个产业链。此 外，厂商问通过专利授权和交叉授 权来进行研发和生产，不仅阻碍了 新进入者的产生，也在一定程度上 增加了企业的生产成本。 中国作为L E D 行业的后来者， 虽然拥有庞大的企业数量，但上游 的衬底芯片企业占比少，加起来 不超过1 0 0 家，且没有获得核心技 术，专利申请数量也少，企业规模 较小时尚不足引起国外巨头的关 注，一旦规模做大，专利问题则无 法规避。早前E t 亚化学与C R E E 的 专利纠纷，结束了其一家独大的竞 争格局。虽然目前很多专利面临到 期问题，为中国企业提供了一个购 买核心专利的契机，但这毕竟不能 当作救命稻草。 因此，开发并建立一套具有自 主知识产权的专利体系，不但可成 为企业发展的基础，也可以为中国 企业未来的发展打破专利壁垒。从 这个意义上讲，硅衬底的研发，已 不仅仅是单纯的技术研发了，更是 为中国L E D 企业的未来发展铺路。 有望助力L E D 产业转型升级 从生产角度看，硅衬底大尺 寸可借用人类经过多年技术积累发 展出来的硅集成电路生产工艺来制 作L E D ，从而大幅度提高自动化程 度，同时由于最大限度的降低了人 员的参与，芯片的可靠性、一致性 和良率都会大幅度提高，还可以降 低人工成本，降低L E D 综合成本2 0 3 0 ，这对于整个L E D 产业来说是 一个革命性的颠覆。 此外，硅衬底上氮化镓功率 器件也是很重要的一个应用领域， 有望超越传统的功率器件开拓出一 个新的应用领域。以氮化镓为代表 的第三代半导体一个主要特点就是 禁带宽度宽。这个特点使得其制作 的器件具有击穿电压高、电流密度 大、工作温度高等优点，因此在大 功率、高温电力电子器件应用方面 性能远优于传统的硅和砷化镓基电 子器件。其应用范围将涵括电脑、 手机、数码相机、电源、电机、 U P S 、电动汽车、基站、电厂等。 采用硅来作为氮化镓电子器件的衬 底已经是国际共识，主要是由于硅 具有其他衬底材料无可比拟的成本 优势。 希望通过导入硅衬底，从本质 上改变L E D 行业的技术，使得G a N L E D 从一个半自动化的、人力密集 型的产业升级成为和现代集成电路 工艺相当的高自动化、高精度的半 导体行业。希望新技术同时带来低 成本和高控制精度，最终形成一个 标准的制造业。 关于作者 陈振，晶能光电博士，曾是新 科诺奖得主中村修二的学生，并曾 亲自参与硅衬底高功率G a N 发光二 极管项目，目前从事硅衬底材料实 际应用的研究。近日他对“硅衬底 究竟进展到什么样的水平”、“未 来是否可以实现产业化应用”等进 行解答。 2 0 15 年4 , N 集成电路应用I3 3 万方数据