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LED芯片“衬底材料”应用概况

LED是继火、白炽灯、荧光灯后人类照明的第四次革命,其发光效率是白炽灯的10倍,是荧光灯的2倍,同时寿命长达10000h。得益于其各种优秀品质,LED受到了许多领域的青睐。从应用产品市场细分上看,led的应用主要有显示屏、照明、背光等三大子市场。LED的节能环保特性非常符合当今全球照明产业的发展要求及趋势。在发改委2017【半导体照明产业“十三五”发展规划】中指出,2020年主要发展指标对半导体照明产业整体产值的目标值为10000(亿元)。其中LED功能性照明产值(亿元)目标值为5400亿元。

LED的照明应用,单单就汽车车灯这一个应用方向就有200亿美元的市场规模(全球)

LED的制备过程分为上游、中游和下游三个阶段(详见下图),其上游的材料制备阶段主要包括晶体生长、晶棒切割、减薄、抛光等,中游的晶圆加工阶段主要包括电极、腐蚀、光刻、图形、减薄、清洗、检测等,下游的封装阶段主要包括划片、粘片、烧结、压焊、封装、化切、分选、包装等。LED制备涉及的技术领域广泛,技术工艺多样化,上下游之间的差异巨大,具有典型的不均衡产业链结构,上游环节进入壁垒大大高于下游环节(上游外延片制备的投资规模比一些下游应用环节高出上千倍),呈现金字塔形的产业结构。其中,上游和中游是典型的技术或资本密集的“三高”产业(高难度、高投入、高风险),而处于产业链下游的封装和应用环节壁垒很低,属于劳动密集型产业,同时竞争也是极为激烈状态。

LED产业链上中下

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。衬底材料是LED照明的基础,也是外延生长的基础。目前蓝绿色光LED多以氮化镓为主,其衬底材料较多,主要有:蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC),另外还有硅(Si)、GaN(氮化镓)、ZnO(氧化锌)和ZnSe(硒化锌)等。红黄色LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)为主,主要采用GaP和GaAs作为衬底材料。下文将对各类LED衬底材料做简单介绍。1.蓝宝石(Al2O3)衬底

目前商用的LED绝大多数是基于蓝宝石衬底(Sapphiresubstrate)上外延生长的掺杂铟的氮化镓(In)GaN材料体系构建而成。这主要是由于蓝宝石在LED外延的高温生长条件下物理化学性质稳定、机械强度好,同时其生产工艺成熟,价格适中。

蓝宝石晶片

但其缺点是蓝宝石与(In)GaN外延层具有较大晶格失配和热应力失配,这会在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。蓝宝石的热导率很低,这和其它衬底材料相比不利于散热。导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足之处,但却在功率型器件大电流工作下问题十分突出,不适合制造大功率高效LED。2.碳化硅(SiC)衬底

除了Al2O3衬底外,碳化硅也是目前用于氮化镓生长的主要衬底材料。碳化硅与氮化镓外延层的结构和晶格常数匹配,化学特性相容,且具有高热导率及与外延层热膨胀系数相近等特点,是氮化镓基发光二极管和激光二极管的热门衬底材料之一,将在半导体照明产业扮演重要角色。

目前用碳化硅做光电器件衬底主要挑战是成本仍相对较高、技术门槛高,同时还面临着行业垄断者的专利威胁。目前国际上能提供商用的高品质SiC衬底的最大厂家为美国CREE公司,美国CREE公司是全球知名的半导体照明解决方案提供商,其市场优势主要就是来源于碳化硅材料以及用此来外延芯片和制备相关器件。LED市场有高中低端之分,碳化硅衬底LED定位在高端,碳化硅基光电子器件具有功率大、能耗低、发光效率高等显著优势,特别适合制备低能耗大功率白光产品(5W以上),在未来的隧道灯、路灯、室外照明、显示及手机闪光灯等领域具有巨大的市场潜力,用碳化硅做衬底将只是时间问题。

碳化硅晶片3.硅(Si)衬底

硅衬底大尺寸、低成本的特点,在提高生产效率和降低成本方面具备特殊优势,因此在硅衬底上生长III族氮化物材料用于固态照明和功率电子器件是学术界和产业界的关注热点。相比目前蓝宝石或碳化硅衬底最大尺寸只能做到6英寸,12英寸的硅衬底的已经非常成熟。

硅晶片

硅衬底作为第3 条 GaN 基 LED的技术路线,其发展空间广阔,但同时也面临诸多挑战。虽然使LED的制造成本大大降低,然而与蓝宝石和SiC相比,在Si衬底上生长GaN更为困难,主要体现在:(1)两者之间的热失配和晶格失配更大;(2)Si与GaN的热膨胀系数差别也将导致GaN膜出现龟裂;(3)晶格常数差会在GaN外延层中造成高的位错密度;(4)Si衬底LED还可能因为Si与GaN之间有0.5V的异质势垒而使开启电压升高以及晶体完整性差造成p型掺杂效率低,导致串联电阻增大;(5)Si吸收可见光会降低LED的外量子效率。

尽管很难,坚持或许还有希望,放弃则一无所有

硅衬底完整的专利保护是未来我国LED面临专利风险的有效武器。硅衬底LED技术从衬底源头上避开了蓝宝石衬底和碳化硅衬底技术路线所形成的国际专利围剿,可从小功率LED芯片技术到高难度的大功率LED芯片技术。4.氮化镓(GaN)衬底

用于氮化镓生长的最理想的衬底自然是氮化镓单晶材料,这样可以大大提高外延片膜的晶体

品质,降低位错密度,提高器件工作寿命,提高发光效率,提高器件工作电流密度,但制备氮化镓体单晶材料非常困难。

氮化镓晶片5.氧化锌(ZnO)衬底

之所以ZnO作为GaN外延片的候选衬底,是因为他们两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格失配度非常小,禁带宽度接近(能带不连续值小,接触势垒小)。

但是,ZnO作为GaN外延衬底的致命的弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。目前,ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件,主要是材料品质达不到器件水准和P型掺杂问题没有真正解决,尽管存在缺点,但ZnO本身确实是一种有潜力的发光材料。

氧化锌晶体6.砷化镓(GaAs)衬底及磷化镓(GaP)

GaAs是继Si之后研究最深入、应用最广泛的一种新型半导体材料。它具有迁移率高、禁带宽度大、耐高温等特点。主要应用于高频通讯、无线网络及光电子领域,如LED发光器、太阳能电池板等。国内的砷化镓应用市场以红橙黄光LED用半导体单晶抛光片(亦称为低阻砷化镓衬底)为主。与硅单晶一样,砷化镓衬底正逐步向大尺寸、高几何精度、高表面质量方向发展。目前,日本住友电工、美国AXT代表着国际领先水平;中科晶电、晶明公司代表着国内的先进水平。

砷化镓晶片

磷化镓主要是用作生产红、绿色LED的主要衬底材料,因磷化镓的熔点和离解压较高,因而磷化镓单晶生长比砷化镓困难得多。

磷化镓晶片

参考来源:

1、国内LED衬底材料的应用现状及发展趋势,高慧莹,中国电子科技集团公司第四十五研究所。

2、部分产品图片素材来源:台湾半导体晶片公司www.semiwafer.com

· 2019-05-14 10:59  本新闻来源自:粉体圈,版权归原创方所有

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