照明级LED芯片技术的发展.doc

从2006年8月，科技部启动“十一五”863计划新材料领域“半导体照明工程”重大项目以来，我国LED外延材料、芯片制造、器件封装、荧光粉等方面均已显现具有自主技术产权的单元技术，部分核心技术具有原创性，初步形成了从上游材料、中游芯片制备、下游器件封装及集成应用的比较完整的研发与产业体系。本栏目将陆续介绍863项目的进展，以促进科技成果产业化。
　　半导体照明被誉为第三代照明技术并在世界范围内引起广泛的关注，其核心技术和竞争领域主要是在整个产业链的上游，即外延和芯片。近年来，半导体照明功率型LED芯片技术的研究和开发得到长足的发展，半导体照明也将在未来几年内得到广泛的应用。在所有可实现半导体照明的相关材料中，氮化镓（GaN）基材料是最重要的，也是最有希望真正意义上实现半导体照明的材料。GaN基发光二极管（Light-Emitting Diode, LED）材料与器件是当前研究开发和商业化的重点与热点。
　　国外半导体照明芯片技术的发展现状
　　目前，Cree、Nichia、Lumileds、Osram等少数几家国外公司是国际上主流的照明级LED芯片及器件制造商，他们具有各自独特的外延和芯片技术路线，各家所生产的芯片产品封装白光器件的发光效率普遍超过100lm/W（见表1）。下面简要地介绍当前各家公司的工艺技术路线和产品现状。

　　美国Cree公司是目前世界上采用SiC作为衬底材料制造蓝光发光二极管用外延片和芯片的专业公司之一，其在不断改善外延品质及提高内量子效率的同时，采用了薄膜（Thin-film）芯片技术大幅度提升产品亮度，薄膜芯片技术即利用衬底转移技术将发光层倒装在Si衬底上，薄膜芯片技术可以有效地解决芯片的散热问题和提高取光效率。Cree公司的功率LED芯片产品EZ系列采用薄膜芯片技术已经达到业界领先的光效水平，据2009年底的报道显示，Cree冷白光LED器件研发水平已经达到186lm/W，这是功率型白光LED有报道以来的最好成绩。
日本Nichia公司是世界上最早的半导体白光生产厂商，技术水平始终处于国际领先的地位。在蓝光芯片的技术路线上，Nichia采用图形化蓝宝石衬底外延生长技术结合ITO透明导电层芯片工艺，产品性能表现优越，特别是小功率芯片，最新的报道甚至达到245lm/W的性能指标。Nichia的功率型芯片也是基于正装结构，2008年Nichia公司宣布其功率LED产品光效达到 145lm/W，芯片规格为1mm×1mm。
德国Osram公司早期的产品是以SiC作为衬底材料，相继推出了ATON和NOTA系列产品。近期，Osram的产品和研发方向也是基于薄膜芯片技术，其最新研发的ThinGaN TOPLED采用蓝宝石作为衬底材料，运用键合、激光剥离、表面微结构化和使用全反射镜等技术途径，芯片出光效率达到75%。据最新的报道，目前，Osram的功率型白光LED光效已经达到136lm/W。
　　美国Philips Lumileds公司的功率型氮化镓蓝光LED芯片采用蓝宝石作为外延衬底材料，芯片结构上则一直沿用倒装结构。随着薄膜技术的发展，Lumileds创造性地整合了倒装技术和薄膜技术，推出了全新的薄膜倒装芯片（Thin-film Flip-chip,TFFC）技术，集成芯片和封装工艺，最大限度降低热阻并提高取光效率。目前，Lumileds功率型白光的研发水平已经突破140lm/W。
　　美国SemiLEDs公司是继Osram和Cree之后采用衬底转移技术商品化生产薄膜GaN垂直结构LED的厂商。他们推出了新型的金属基板垂直电流激发式发光二极管（Metal Vertical
Photon Light Emitting Diodes，MvpLEDTM）产品，其封装成白光器件的发光效率目前可以达到120lm/W。
　　韩国和中国台湾地区目前也在积极发展照明级功率型高亮度LED芯片技术，这些地区的LED产业技术正快速赶上世界领先水平，且已具备较高的水准。主要芯片供应商有：Epistar（晶元）、EpiValley、Forepi（璨圆）、Huga（广镓）等。中国台湾、韩国的产品以中高档为主，所生产的功率型LED芯片封装成白光器件的发光效率一般在80～100lm/W，其中台湾晶元光电的技术水平相对领先，其研发水平已达到120lm/W。
　　国内半导体照明芯片技术的发展现状
　　国内半导体照明芯片技术的发展相对国外起步较晚，技术水平离国际领先业者还存在一定距离。不过，最近几年，在政府有关部门的引导和支持下，国内照明级LED芯片技术的研究、开发以及产业化工作取得了长足进步。特别是在“十五”国家科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发”项目和“十一五”863计划半导体照明工程项目的引导下，国内各大LED芯片制造商以及研究所依靠各自科研力量，大力投入对功率型照明级LED芯片技术的开发，技术水平不断提升，产业化进程逐步深入，逐渐缩小与国际领先业者的差距，取得了一系列令人鼓舞的成果。这期间经历了“外延片从外购到自制，芯片结构从正装到倒装再到正装，光效从30lm/W到60lm/W再到100lm/W”的发展历程。

　　目前，国产功率型照明级LED芯片产品在光效、寿命以及可靠性等性能方面都取得较大进展，开发出图形衬底、透明电极和全方位反射镜等一系列关键工艺技术。产业化方面，以三安光电为代表的国内厂商突破了100lm/W的技术大关，顺利完成了863计划课题目标。图1展示了国内上游厂商推出的各种外观功率型LED芯片，芯片结构全部采用技术较为成熟且制作成本较低的正装结构。国产芯片有望凭借优越的性能和极具竞争力的价格优势在“十城万盏”试点示范工程、大尺寸液晶显示屏背光以及室内通用照明等应用领域逐步渗透并最终取代进口芯片，推动中国半导体照明产业链整体的健康发展和茁壮成长。
　　三安光电作为国内LED产业上游的龙头企业，非常注重技术创新，在政府有关部门的支持下，加大对照明级芯片的研发和攻关力度。三安光电在不同的时期，针对研究热点和趋势，并结合自身需求和产业化基础，开发不同特点的功率型LED芯片产品（如图2所示）。“十五”国家科技攻关计划时期，三安开发出基于双向齐纳硅基板的倒装焊结构芯片；“十一五”时期，三安开发了基于图形衬底、全方位反射镜等技术的正装结构芯片产品，该产品封装白光器件的最高光效可达105lm/W，这可以说是国内目前所能达到的最高水平。薄膜结构氮化镓芯片是三安光电下一步研发的重点三安目前已完成垂直薄膜芯片的初样试制，测试光效可达90lm/W。未来，三安光电将从薄膜氮化镓芯片的外延结构设计；永久衬底的选择和粘合工艺；生长衬底的剥离工艺；反射性P电极系统的设计和制作工艺；氮极性面N型欧姆接触制作工艺；出光表面的粗化工艺；光子晶体技术在薄膜芯片的应用等七个方面着手，攻关150lm/W照明级薄膜氮化镓LED芯片技术并力争实现产业化。

　　芯片核心技术的发展趋势
　　从国内外半导体照明功率型LED芯片技术的发展现状来看，薄膜结构芯片凭借其一系列优越性将会是未来照明级LED芯片技术发展的必然趋势，照明级LED芯片结构的发展将经历一个“正装结构→倒装结构→薄膜结构”的技术演变。表2列举了薄膜结构芯片与传统结构芯片的特点比较，从表中可以看出薄膜结构芯片在发光效率、散热性和可集成性等方面有着传统芯片所不能比拟的优越性，这也是国际大厂争相布局和研发的初衷。如图3所示为Lumileds、Cree和Osram三家国际大厂所推出的全新薄膜结构产品，其中Cree的EZBright系列的封装白光器件可以达到186lm/W的发光效率，为目前世界范围内有报道的最佳水平。

　　当然，半导体照明LED芯片技术是一个涉及理论设计、外延和芯片工艺的系统化技术，除了薄膜芯片技术之外，当前世界范围内针对照明级LED芯片技术的开发，主要可以归结为以下一些技术路线：
　　1）  非极性衬底、半极性衬底的外延材料生长；
　　2）  量子点、量子线有源层设计和外延生长；
　　3）  光子晶体、准光子晶体应用于芯片取光技术；
　　4）  交流电发光二极管（AC-LED）。