高亮度LED芯片硅襯底漸成主流

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    高亮度LED主要分為紅外光的砷化鎵體系和砷化鋁鎵體系，紅、橙、黃、綠色的AlGaInP體系，綠色和藍色的InGaN體系，以及紫外光的氮化鎵和氮化鋁鎵體系。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于照明、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、高密度的信息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，廣泛應用于遙控器、驅動器、電腦鼠標、傳感器、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于家用電器、安全系統和無線通訊產品等。

    白光應用是藍光LED芯片的重要市場，也是最為重要的發展方向，其采用藍光芯片加YAG黃色熒光粉從而形成白光光源。目前，國際LED大廠在大功率藍光芯片方面有著較為明顯的優勢，而國內LED芯片企業目前主要是在中小功率藍光芯片方面有較大的發展，但由于前幾年的過度投資引起了產能過剩，導致中小功率藍光芯片市場出現了較為嚴重的“價格戰”。對于藍光LED芯片而言，主要的發展方向為硅基LED芯片、高壓LED芯片、倒裝LED芯片等。對于中小功率LED芯片市場而言，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。對于其它細分領域，如垂直結構的芯片，封裝后可以應用于指向性照明應用，如手電、礦燈、閃光燈、射燈等燈具產品中。

硅襯底LED芯片漸受關注

    目前市場上主流的藍光芯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;此外還有一種藍光芯片是在碳化硅襯底上生長，以美國科銳公司為代表。

    近年來硅襯底上生長的藍光LED芯片越來越受到人們的關注。硅襯底由于可以采用IC廠的自動生產線，比較容易采納目前IC工廠的6寸和8寸線的成熟工藝，再加上大尺寸硅襯底成本相對低廉，因而未來硅襯底LED芯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。硅基LED芯片在特性有下列特點：

1.垂直結構，采用銀反射鏡鏡，可使電流分布更均勻，從而實現大電流驅動;

2.硅襯底散熱性好，有利于芯片的散熱;

3.具有朗伯發光形貌，出光均勻，容易進行二次光學;

4.適于陶瓷基板封裝;

5.適合于LED閃光燈和方向性較強的照明應用，可應用于室內、室外和便攜式照明市場。

    在硅基LED芯片的開發上，晶能光電在2009年就曾推出小功率硅基LED芯片，被廣泛地應用于數碼顯示領域。2012年6月晶能光電在廣州發布了新一代大功率硅基LED芯片產品，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在內的四款硅基大功率LED芯片，其中45mil芯片達到了120lm/w的光效，并在年底達到了130lm/w，且可靠性良好。硅基LED芯片陶瓷封裝后，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。據報道夏普和普瑞也宣布于2012年底實現了硅襯底白光芯片的量產，推出了兩款白光芯片;另外，包括三星、歐司朗、晶電等大廠也正積極從事于硅基LED芯片的研究。

    LED市場正處于高速發展的階段，LED芯片成本的進一步下降將促進半導體照明走入全家萬戶。由于硅襯底具有成本低、IC廠制造工藝成熟等特點，隨著6-12寸大尺寸硅基LED技術的不斷發展，硅基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，這對于LED產業會產生重大影響。

高亮度芯片面臨的發展瓶頸

    當前，半導體照明市場的進一步發展要求藍光LED芯片的光效要不斷提升，成本要不斷下降。目前科銳基于碳化硅的LED芯片已經實現了200lm/w光效產品的量產，研發水平光效可以達到276lm/w。在LED芯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。

    第一是藍光芯片存在的Droop效應。在大電流密度條件下，發光二極管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芯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;對于紅光而言，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芯片的光效提升，延緩了未來的高質量白光的產生。另外，綠光及黃光LED效率也受到本身極化場的沖擊，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。由于外延生長時晶體中存在缺陷，形成大的位錯密度和缺陷，從而導致光效下降和壽命下降。目前藍光芯片無論是碳化硅、藍寶石、硅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，同時由于熱膨脹系數的差別在外延生長后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。襯底的質量直接影響著外延層的晶體質量，從而影響光效和壽命。如果采用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芯片的電流密度比傳統芯片高5-10倍，大幅提高發光效率。據報道首爾半導體采用同質襯底開發的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，但氮化鎵同質襯底對于LED而言仍過于昂貴。

    總體而言，在藍光LED芯片的未來發展上，倒裝芯片、高壓芯片、硅基芯片等都是未來的主要發展趨勢。倒裝芯片由于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芯片由于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，最適合于LED球泡燈;硅基LED芯片由于可以在6寸或者8寸的硅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。對于其它顏色而言，紅光LED芯片和綠光LED芯片的光效都還有很大的提升空間，隨著紅光和綠光LED芯片光效進一步的提升，未來白光不一定就是目前的藍光LED芯片加黃色熒光粉的形式，也可能是RGB或其它的形式，未來白光的封裝方式也可能會發生很大的變化。

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