技術發展和工藝改進，使LED成本大幅度下降，推動了LED應用的全面發展。為進一步提升LED節能效果，全球相關單位均投入極大的研發力量，對LED性能、可靠性進行深入的研究開發，特別在LED襯底、外延、芯片的核心技術研究方面，已取得突破性成果。對LED發展提出了不同的技術路線和“終極目標”的技術方案，以及提出新的發光材料。為此，本文除簡要描述半導體照明上游產業發展概況之外，也重點介紹了LED襯底、外延、芯片核心技術發展動態并探討相關技術的發展趨勢，以及降低外延、芯片成本的技術。
一、半導體照明上游產業概況
半導體照明上游產業是指LED襯底、外延及芯片相關的內容，這里將簡要介紹上游產業的概況及主要技術指標。
1.LED襯底概況
目前用于LED產業化的襯底主要有藍寶石(Al2O3)、SiC和Si，Cree公司用SiC為襯底，東芝公司宣布8″的硅襯底生長LED將于2013年產業化，其余的大部分以藍寶石為主。全球生產藍寶石襯底有130多家，其中有80多家是近兩年加入的。2012年的需求量約9600萬片(以2″計算)，其中藍寶石圖形化襯底(PSS)占70%~80%，目前仍以2″和4″襯底片為主，由于同樣面積的6″晶片比2″晶片要多出52%芯片，所以預測幾年后將以6″為主。由于生產能力過大，供大于求，致使藍寶石晶片價格大幅度下降，大約為每片7~8美元。在藍寶石晶體生長上大部分采用A軸向生長，取出C軸向的晶片，材料利用率過低，2″為35%左右，6″約為20%。有資料顯示：采用CHES法直接按C軸向生長，材料利用率可達75%，而且減少了張力和應力，從而降低了襯底晶片的彎曲度和翹曲度，因此，極大提高了藍寶石襯底的生產效率、晶片質量及降低成本。近幾年全球正在研究很多LED的新襯底，取得了很大成果。
中國生產藍寶石襯底的企業約50家，其中已投產約20家左右，有人統計，2011年我國生產能力已達15000萬片/年(以2″計算)，超過全球的需求量。而且由于藍寶石企業直接生產PSS襯底的不多，企業的競爭力較差，企業走向轉型、整合、兼并是必然的。另外，還有山東華光采用SiC襯底生長LED，南昌晶能采用6″的Si襯底生長LED，均取得較好成果。
2.LED外延及芯片產業概況
全球從事LED外延及芯片研發生產單位約160家，共有MOCVD設備約3000臺，2011年生產芯片總量為820億只，2012年為950億只,2012年生產過剩率達35%。按4″晶片計算，生產能力為200萬片/月，其中中國占25.8%、臺灣21.8%、日本19.2%、韓國17.3%、美國11.8%、歐洲2.8%。目前外延晶片以2″和4″為主，據研究機構預測在幾年內將以6″晶片為主，會超過50%以上。由于外延技術的不斷發展，晶片尺寸不斷擴大，加上工藝技術的進一步改進，外延片的成本會大幅度下降。
中國LED外延及芯片企業約50多家，其中已投產的約36家，正在籌建的有20多家。2012年底已有MOCVD設備約980臺，其中大部分以2″為主，2012年芯片的產量超過1000億只(含小芯片和四元系芯片)，產值達60億元(另有報道為80億元)。另外中國有16家企業正在研發制造MOCVD設備，其中有8家已做出樣機，并在上游企業試用，預計2013年應該有國產MOCVD設備正式投產。由于國內LED上游企業過多，大部分企業規模偏小，缺乏研發能力和競爭力，走向整合、兼并是必然的。
3.LED主要技術指標
發光效率作為LED標志性技術指標，近兩年來有極大提升，日亞、飛利浦等幾個大企業實驗室水平均超過240lm/W，Cree公司2013年2月宣布實驗室光效達276lm/W，豐田合成宣布在1mm×1mm的LED芯片實現光通量400lm(在較大電流下)，首爾半導體宣布光通量達500lm(在1mm×1mm的LED芯片加1000mA電流下)。全球LED產業化水平，目前可提供光效120~150lm/W的LED產品，Cree公司2012年12月初宣布可提供光效186lm/W的LED產品，12月底又宣布可提供200lm/W的LED產品。由于LED技術迅速發展，到底LED發光效率能提升到什么程度才算最后結果呢?最近有幾種提法，美國SSL計劃修定中提到LED光效產業化水平達266lm/W為終極目標。三菱化學提出目標：1mm×1mm芯片發光亮度達1000lm光通量。日本田村制作提出目標：2mm×2mm芯片發光亮度達2000~3000lm光通量。上述所提的這些目標均可達到單芯片制作成LED光源。
二、LED襯底、外延及芯片技術發展趨勢
近幾年LED技術發展迅速，襯底、外延及芯片核心技術取得突破性進展。本章節將對這些核心技術進行具體描述，并介紹發光新材料，進一步探索LED上游技術發展趨勢。
1.圖形化襯底
LED外延現階段普遍使用圖形化襯底(PSS)，PSS目前分為微米級PSS和納米級nPSS，微米級PSS有各種形狀圖形，如正角形、梯形、圓形、橢圓形、半球形、三棱錐形、六棱錐形、火山口形等，圖形高度一般1.1~1.6μm，圓直徑2.5~3μm，周期約4μm，采用光微投影及電漿干式蝕刻技術，2″圓片的成品率為80%~93%，4″圓片為40%~70%，一般可提高光效30%~40%。nPSS一般采用納米壓印技術，圖形大小約260nm，周期約460nm，一般可提高光效70%左右，正在采用納米光微影(NIL)新技術，將會降低nPSS成本，并可適用大晶圓尺寸，為此介紹二種納米級nPSS。
(1)nPSS襯底
nPSS采用納米壓印是接觸式，對納米模板及襯底平行度要求苛刻，脫模、排氣及母版污染等是影響成品率的主要因素，該技術瓶頸將盡快突破，將成為2013年的主流，nPSS優點：LED更高發光效率，均勻性更好，成本低。如在藍寶石襯底上用納米壓印光刻獲周期為450nm圓孔的六角形陣列，使綠光LED輸出光功率是原來的三倍。
(2)納米柱PSS
英國塞倫公司的新技術，在藍寶石襯底上采用獨特的納米光刻技術，形成表面的納米柱。該納米柱直徑是幾百納米，在此襯底上外延生長可緩解應力85%，從而大幅度減少缺陷，在不增加成本情況下，可大幅提高發光亮度，LED光效的產業化水平可達200lm/W，并改善Droop效應，衰減減緩約30%。
小結：PSS能較大提高LED發光效率，特別是納米級nPSS能更大提升LED發光效率，PSS是現階段LED核心技術的發展趨勢。對PSS在降低成本方面有不同看法。
2.同質襯底
同質襯底是以GaN作襯底，并在此襯底上生長GaN，全球相關研究機構和大企業，如日亞、Cree等均投入很大研發力量，并取得了突破性進展。生長GaN襯底有多種方法，一般采用HVPE(氫化物氣相外延)或鈉流法，生產GaN襯底要很好解決殘留應力和表面粗糙問題，襯底厚度約400~500μm，現可產業化。GaN襯底的優點：位錯密度低(105~106個/cm2)，內量子效率可達80%以上，生長時間短約2小時，節省大量原材料，可大幅度降低成本(目前襯底較貴)，下面介紹幾個主要研究成果。
(1)實現高亮度LED
豐田合成采用c面GaN襯底生長LED芯片，其面積為1mm2，可實現400lm光通量，可以實現單芯片LED的高亮度。
(2)HVPE生長GaN襯底產業化
三菱化學、住友電工、日立電線等公司采用HVPE法生長GaN襯底，實現產業化可提供2″GaN襯底，厚度450μm左右，位錯密度(106~107個/cm2)，三菱化學近期宣布可提供6″GaN襯底，并計劃2015年將成本降至目前的十分之一。
(3)提高內量子效率
日本礙子公司采用鈉流法生長GaN襯底，低缺陷密度，內量子效率達90%，在200mA下，其光效達200lm/W，2012年可提供4″GaN襯底，正在加速開發低缺陷的6″襯底。
(4)大尺寸GaN襯底
住友電工和Soitec合作開發4″和6″GaN襯底，在日本伊丹和法國Bernin建中試生產線，采用晶圓制造技術和智能剝離層轉移技術生產超薄高品質GaN襯底，具有低缺陷密度，并宣布可提供GaN襯底。
(5)LiGaO2襯底
華南理工大學研發在LiGaO2襯底上采用激光分子束外延(低溫工藝)生長非極性GaN襯底，厚度2μm，作為復合襯底生長GaN芯片，要求達到位錯密度為1×106/cm2，內量子效率85%，在35A/cm2下，光電轉換效率為65%，發光效率為150lm/W。
(6)獲獎產品
美國Soraa公司采用中村修二的GaN-on-GaN技術制作LED替代燈，被SVIPLA評為“過去30年半導體材料科學取得最重要成就之一”。其LED晶體完整性提高1000多倍，能通過更大電流，使每盞燈使用一個LED器件成為可能。
小結：采用GaN-on-GaN同質襯底生長LED，其缺陷密度達(105~106/cm2)，可極大提升LED發光效率，而且加大電流密度時droop效應不明顯，使普通照明實現采用單芯片LED光源，將LED核心技術推向新臺階。用中村修二的話來小結：我們相信有了GaN-on-GaN LED，我們已經真正地譜寫了LED技術新篇章，即LED2.0版。
3.非極性、半極性襯底
藍寶石(Al2O3)晶面有極性C面、半極性M面、R面和非極性A面，現普遍采用C面襯底，容易生長。由于晶格失配產生應力，引起內部極化場束縛載流子，以致內量子效率低。采用非極性或半極性襯底，生長難，可大幅度降低缺陷密度。采用非極性襯底生長LED，可作顯示屏、電視、手機等背光源，沒有取向性，不要外置擴散片。另外還可用于生長綠光LED、激光器和基于GaN的太陽能電池，以下介紹幾項主要研究成果。
(1)非極性、半極性藍寶石襯底
英國塞倫光電采用非極性藍寶石上生長LED，大幅度降低缺陷密度，其外延片的光轉換效率可提高7倍，而且該結構在不同電流下不會發生波長漂移，大幅度提高亮度而有效改善流明/美元值。
(2)“npola”LED
首爾半導體采用非極性GaN襯底生長LED稱為“npola”LED，在1mm2芯片上實現500lm的光通量(在較大電流下)，首爾半導體CEO李貞勛說：同一表面的亮度大幅改善5倍，未來可提高10倍以上，是LED光源的終極目標。
(3)非極性GaN襯底
三菱化學采用非極性GaN襯底生長藍光LED，抑制晶格缺陷，其缺陷密度最少僅為1×104/cm2，并在大電流下光輸出功率不易下降。計劃目標，在1mm2芯片發光亮度可達1000lm光通量。
(4)非極性、半極性GaN襯底產業化
住友公司宣布已開發半極性、非極性GaN襯底材料，并掌握批量生產技術，可提供制作白光LED的半極性、非極性襯底。
(5)紫外LED采用非極性襯底
首爾半導體采用非極性GaN襯底開發紫外LED并與R、G、B熒光粉組合可實現高顯色指數的白光照明和色彩表現范圍大的背光源，計劃利用非極性GaN襯底來實現高發光效率的紫外LED。
小結：采用半極性、非極性藍寶石和GaN襯底生長LED的核心技術，已取得突破性進展，有可能在1mm2芯片上實現1000lm光通量，采用單芯片作為一盞LED燈的光源成為可能，同時會極大地提升性價比，改善美元/流明值。
4.芯片新結構
LED核心技術除了襯底、外延技術外，還有LED芯片結構新技術，目前除了通用的正裝芯片結構外，主流的芯片結構還有倒裝結構、薄膜結構和垂直結構等。芯片結構設計主要是考慮如何提高外量子效率，即芯片的光取效率，提高芯片散熱性能以及在降低成本上進行采用新結構新工藝。芯片有很多種新結構，下面介紹部分成熟的芯片結構和單芯片發白光的新結構。
(1)六面體發光芯片
六面體發光芯片是較典型的一種結構，指芯片的六個面全部出光，采用多面表面粗化技術，減少界面對光子的反射，減少光子在芯片內部多次反射時被吸收，提高光取率，從而提高外量子效率。
(2)DA芯片結構
Cree公司利用SiC襯底優勢，不斷改進芯片結構及工藝，取得了實質性突破。已推出的DA系列產品，采用SiC透明襯底作為發光面，在SiC襯底上制作3D結構，即在SiC基板的外側設置V字形溝槽，從V字溝槽一側發光，以增強高折射率SiC襯底的光取效果，而且是大電流倒裝芯片，發光層一側與封裝接合，獲得高質量的散熱性，采用共晶焊、無金線，面積幾乎是原來的一半，顯著降低成本，實現雙倍性價比。并在第三代碳化硅技術SC3平臺上，采用匹配的最新封裝技術，于2013年2月宣布獲得光效達276lm/W(在350mA下，色溫4401K)。
(3)單芯片白光技術
幾年前已提出單芯片發多色光的技術方案，但結果不理想。這次三星公司采用納米級的六角棱錐結構技術做出白光LED，可以實現半極性、非極性襯底上生長GaN，有利于光取的提升，因納米結構微小能有效降低應變，達到更佳的晶體質量，而且散熱性能好。同時發綠光、黃光、紅光，其內量子效率分別為61%、45%、29%。實現單芯片發多色光組合白光LED，取得突破性進展。通過改進提高，如實現產業化，將會提高光色質量和避免波長轉移引起光能損失，并可減少封裝工藝，提高封裝可靠性和降低封裝成本，成為實現白光LED的另一條技術路線。
小結：LED芯片結構研發方面不斷有新結構出現，在提高光效、散熱性能、降低成本上不斷有所突破。更要關注單芯片發多色光組合成白光LED的研發進展，如實現產業化，將是LED照明技術發展中另一條可行的技術路線。
5.襯底、外延新技術
在LED照明技術發展上有很多是開創性的研究工作，并且已取得可喜的研究成果，以下介紹幾種在LED襯底、外延核心技術研究中的新技術。
(1)外延偏移生長技術
美國加州大學采用掩膜及分層偏移技術生長低位錯GaN，如圖1所示。
圖 1 掩膜及分層偏移技術生長低位錯 GaN 示意圖
示意圖中SiO2厚200nm，SiNX厚120nm。先低溫530℃生長25nm成核層，之后在1040℃下外延GaN，進行偏移生長，阻檔位錯生長，可獲位錯密度為7×105個/cm2，可極大提高內量子效率，減少droop效應。在外延上采用創新技術，取得突破性進展，將極大提高LED性能指標，主要是光效和可靠性。這種外延方法也用于制造激光器件。
(2)3D硅基GaN技術
據“LED科技”2013年3月報道：Aledia公司發布采用3D硅基GaN microwire技術，制造3D硅基LED芯片(有立體芯片結構示意圖)的成本僅為傳統2D平面LED的五分之一。該技術基于升級了microwire生產工藝，采用大尺寸圓晶和低成本材料的解決方案，該技術已在法國LETI-CEA公司開發6年，可與硅CMOS技術兼容，可直接在現有高性能硅加工廠生產，目前已獲融資1000萬歐元。
(3)氧化β-Ga2O3襯底
氧化鎵Ga2O3具有多種結構形式：α、β、γ、δ、ε等，其中β結構最為穩定，禁帶寬度為4.8~4.9ev，現已做出高品質、低缺陷密度Ga2O3 MOSFET，具有優異器件潛力。
日本田村制作及子公司光波公司采用β-Ga2O3襯底生長GaN藍光加熒光粉，芯片尺寸2mm×2mm，加6A電流，其可獲500lm光通量，計劃目標達2000~3000lm。β-Ga2O3具有如下三大優點：其一，β-Ga2O3基板是高導電性，可作垂直結構，低電阻、低熱阻，可用大電流驅動。其二，β-Ga2O3基板成本低，采用溶液生長法，比GaN襯底采用HVPE法的氣相生長更容易，成本更低。其三，生長的基板質量更高，更適合大尺寸生長。目前已實現β-Ga2O3基板2″片產業化,計劃2014年出4″產品，2015年產業化，并進一步開發6″產品。
小結：上述介紹幾種新技術研究成果，是具有開拓性的創新成果，一旦產業化，將會是顛覆性的技術突破，開辟了LED照明技術發展上另一條重要的技術路線。
6.發光新材料
隨著新材料、新技術的不斷發展，出現很多新材料發光體，將來有可能進入照明領域，與LED照明競爭。以下簡要介紹幾種新發光材料。
(1)有機發光二極管(OLED)
OLED行業內均有了解，在此不必描述，當前已批量應用于小屏幕顯示器，并進軍大屏顯示和照明領域，目前OLED有效的光效一般在30~60lm/W，并逐步提高，目前很多單位進行OLED照明研發，并取得可喜成果，東芝公司2012年6月發布7×8cm2?OLED照明產品，其光效達90lm/W，可與熒光粉美，將在特種照明領域獲得應用。據國外相關機構預測：OLED照明市場規模于2021年將達400多億美元，另一機構預測于2018年達400億美元。現階段主要問題除某些技術外，價格偏高，但前景是樂觀的。
(2)量子點發光技術
量子點(Quantun Dot，QD)是用納米技術制作的，QD顆粒一般在2~12nm之間，量子點發光體由發光核、半導體殼、有機配位體組成，在電或短波光的激發下會發射不同波長的光，接近連續可見光光譜，QD發光核尺寸越小，發的光越偏藍光，越大越偏紅光，可發出鮮艷的紅、綠、藍光，例如CdSe(硒化)當顆粒2.1nm時發藍光，當5nm時發射綠光，接近10nm時發射接近紅光。量子點發光技術具有很多優點：發射可見光至紅外光、比有機物發光更穩定、發光半高寬(FWHM)低于20nm、內量子效率可達90%、與有機傳輸層混合后可制作量子點LED，即QLED。
目前量子點發光效率接近OLED水平，其外量子效率達20%，可進入實用階段，QD發光具有廣泛應用，除了在顯示及照明領域外，還可應用于藍光激光、光感測元件、單電子晶體管、記憶儲存等，現階段QD主要在顯示應用上取得顯著效果，將最有希望替代OLED。在照明方面與LED結合產生色彩豐富，十分明亮的暖白光。
(3)超薄非結晶電介層發光芯片
美國德洲農機大學化學工程系開發一種發光芯片、采用在硅晶圓上進行室溫濺射沉積方法，制成電介質膜，其中有納米晶層，可提升發光密度，在工藝中可與硅IC兼容，工藝簡單，是個新的納米發光材料技術。雖然目前發光壽命較短，但將來會更長。
小結：上述幾種發光新材料，OLED遲早會進入照明領域，而且會在特殊照明領域中占有一定比例。至于量子點及超薄介質中的發光層均為納米級量子層，是納米發光新材料。應要高度重視納米發光技術的研究和開發，將來有可能進入照明領域，并替代LED照明產品。
三、降低外延、芯片成本的技術
降低外延、芯片成本對推廣LED應用至關重要，將推動LED照明產業迅速發展，要降低外延、芯片成本除了規模化生產外，主要在技術創新上下功力。降低外延、芯片成本還有很大潛力，應該從采用新技術、新結構、新工藝著手，使成本大幅度下降。
美國SSL計劃提出成本目標：LED成本2015年達2美元/klm，2020年達0.7美元/klm，LED成本的終極目標為0.5美元/klm，這也是業內的基本共識，認為是可行的。以下將如何實現這個成本目標的有關設備、技術問題進行探討。
1.提高MOCVD設備性能
對現有MOCVD設備要不斷進行改進提高，主要是增強設備自動化水平，科學的溫度管理和氣流控制，改進工藝、縮短生長周期、節省原材料、減少維修率，提高產能、提高外延的穩定性、一致性和成品率等。兩個最大的生產企業Veeco和Aixtron對上述問題均做過不同承諾，要不斷降低成本，Veeco提出計劃用6年時間讓外延成本下降3倍。
2.大電流密度技術
該技術前幾年已投入大量研發力量，目前基本成熟，主要是解決外延GaN的晶格完整性，即位錯密度低，芯片結構合理，具有較好散熱性能，關鍵是減少droop效應，即在大電流密度下光效較少衰減。目前很多公司均可提供電流大于額定值2~3倍的LED產品，其光效仍可達100lm/W，droop有所下降，還不夠理想，必須在技術上進一步改進、創新，使晶格完整性、散熱性能有所提高，droop進一步下降，使LED產品在電流密度大于額定值6~7倍以上，光效可達120lm/W以上，droop很小，即可實現普通照明燈具只用1只LED芯片，其亮度相當于60W白熾燈的水平。這樣就可以大幅度降低燈具中的LED的成本。
3.大圓片技術
相關資料顯示：如采用4″藍寶石襯底生長LED的成本為100，那么采用6″襯底生長LED的成本為75%，采用8″硅襯底生長LED的成本為48%，所以采用大圓片技術是降低外延、芯片成本的有效辦法，為此介紹這兩種大圓片技術。
(1)8″硅襯底生長技術
全球相關大公司均已投入該技術研發，并取得很好成果，有很大技術難度，主要是由于晶格失配較大，產生應力，在大面積硅片上生長LED產生較大彎曲度、翹曲度，極大影響LED性能，經過多年努力，現已基本解決。Aixtro已推出專門適用于8″硅襯底上生長GaN的AixG5+外延爐，其尺寸為5×200mm，該技術可用現有8″硅生產設備，簡化工藝流程，將大幅度降低成本。三星已宣布采用該技術LED內量子效率達65%，普瑞稱輸出光功率達614mw(在1.1×1.1mm2、300mA下，VF=3.1V)，東芝與普瑞合作，于2012年12月宣布可提供TL1F1系列8″硅襯底生長1W LED芯片，產能為1000萬只/月。目前在8″硅襯底上生長LED，由于技術問題、成品率還不高，要在技術上、工藝上不斷改進、創新，提高成品率，使其成本達到4″藍寶石上生長LED的50%左右。
(2)6″LED圓片量產引入半導體產業標準
現階段采用6″圓片生長LED的比例還較少，由于采用6″圓片生產成本會比4″圓片減少25%，所以相關部門預測在幾年內，采用6″圓片生產LED將占50%以上，將成為主流，現在成品率一般為65~70%，新一代6″設備的成品率會更高，生產成本會降得更多。為了推進6″圓片的產業化進程，正在制定6″圓片自動化量產規模產業標準，該標準的制定和執行，將會節省設備及簡化工藝流程，極大地提高生產效率，降低外延、芯片成本。
4.提高LED發光效率的性價比
以上介紹多種開創性的創新技術成果，如采用PSS襯底、非極性、半極性襯底、芯片新結構、外延新技術等，均為提高LED內量子效率和芯片發光效率，如上所述，假如1只芯片能發射1000~2000lm光通量，并實現產業化，就極大地提高LED發光效率的性價比，將會成倍下降美元/klm值，實現外延、芯片成本的大幅度下降。
小結：要降低外延、芯片成本主要從技術創新上下功夫，行內已經預計到現階段降低外延、芯片成本有很大潛力，國外有關機構預測最近十年，外延成本每年平均下降25%，Strategies Unlimited公司預測2016年LED占燈具成本為5%。
四、結束語
LED技術的不斷發展，其標志性技術指標發光效率實驗室水平不斷被刷新，已推動LED產業迅速發展。近幾年不斷有很多開創性的技術研究成果出現，將LED技術發展推向新臺階，要高度重視LED新技術的發展趨勢，我們要加強該學科的基礎研究工作，逐步掌握LED襯底、外延、芯片的核心技術，不斷在技術上、工藝上有所創新，提高LED發光效率的性價比，降低外延、芯片成本，推進LED應用產業的全面發展。（選自《半導體照明》雜志 2013年 第41期）
