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GaN基LED用铬基金属基板制备及其应用研究.pdf73页
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硕士学位论文
GaN基LED用铬基金属基板的制备及其应用研究
姓名：王古平
申请学位级别：硕士
专业：材料物理与化学
指导教师：江风益;熊传兵
GaN作为直接带隙宽禁带半导体材料，已经广泛地应用于发光二极管 LED 。
高功率、高光效GaN基LED具有取代白炽灯和日光灯的巨大前景。目前市场上GaN
蓝宝石、SiC和Si衬底都存在各自的缺陷。蓝宝石由于不良导热、导电性能，严
重限制了GaN基LED的光电学性能，而且硬度高使得器件制备工艺复杂。SiC被美
国垄断，价格昂贵，成本高，不利于普通推广。Si具有导电、导热及成本优势。
但吸光严重，限制了光的输出。克服以上衬底带来的不利影响，提高GaN基LED
器件的光电性能，成为目前GaN基LED器件的研究热点。衬底剥离技术―将以上三
种衬底上生长的GaN#|’延层转移到另一种基板上，是解决这一问题的重要方法之
一。目前典型的转移基板有Si和Cu基板，所采用的方法是键合 bonding 技术。
本文在导师指导下探索了一种新的转移基板―铬基金属基板制作工艺。铬金
属除了具有普通金属性能外，还具有反光性能好，热膨胀系数与GaN、ZnO相接近
和铬及其合金具有很强的抗酸抗碱性能等优点，可经受GaN基LED器件制作中的酸
碱腐蚀工序。正是这些优点本文展开了铬基金属基板制备及其在GaN基LED中的应
用的研究，所采用的方法是多弧离子镀技术。本文作了如下研究：’
1．利用多弧离子镀膜技术和
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国外白光LED技术与产业现状及发展趋势
趋势与展望doi:10??3969/j??issn??x??1OutlookandFuture国外白光LED技术与产业现状及发展趋势陈海明(中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051)摘要:近年来,LED技术与产业发展迅速,成为半导体制造行业的最大亮点。从技术和产业两个大的方面介绍了国外LED的发展现状、特点和趋势。介绍了产业化的两种衬底外延技术??????蓝宝石衬底和SiC衬底,然后介绍了近年来出现的几种芯片技术、几大公司的芯片技术特点、常用的封装技术及其发展趋势目标等,最后介绍了LED器件的实验室水平和商业化生产的水平以及低成本LED的发展,总结了LED的技术发展趋势。产业方面,主要介绍了LED生产线的分布、欧、美、日、韩等国的产业概况、公司封装产值排名及分析,最后总结了产业发展的特点与趋势。关键词:白光LED;LED产业;衬底技术;芯片技术;封装技术中图分类号:TN312??8????文献标识码:A????文章编号:X(21??05DevelopmentandTrendsonWhiteLEDTechnologyandIndustryinForeignCountriesChenHaiming(The13thResearchInstitute,CETC,Shijiazhuang050051,China)Abstract:LEDtechnologyandindustrydeveloprapidlyinrecentyears.Itisbecomingthemostlightinginsemiconductormanufacture.DevelopmenttrendofforeignwhiteLEDisintroducedfromtechnologyandindustryaspects.Twokindsofsubstrateepitaxytechnologies(sapphireandSiC)arepresented,severalchiptechnologies,chipfeaturesofsomefamouscompanies,packagetechnologyandthedevelopmenttrendsareintroduced.TheLEDstatusoflabandindustryandlowcostLEDarepresented.TechnologydevelopmenttrendsofLEDarediscussed.ThedistributionofLEDfabs,industrysurveyinEurope,America,JapanandKoreaandLEDmakersrevenuerankingaredescribed.Finally,thefeaturesandtrendsoftheindustryaresummarized.Keywords:whiteLED;LEDspackagetechnologyEEACC:4260D0??引言LED产业自90年代以来在全球范围内迅速崛起并高速发展。美国、日本、欧盟、韩国、中国等国家和地区,纷纷把LED作为 照亮未来的技术!,陆续启动固态照明计划,欲占领这一战略技术制高点。对全球LED业者而言,眼前最大的商机是各国节能政策下,禁用白炽灯的替换潮。从2009年起,欧盟国家已开始禁用白炽灯。其它国家和地区July??2010也陆续在2010年~2012年开始禁用白炽灯。随着人们应对全球气候变暖的意识不断提升以及LED电灯价格的大幅下滑,LED电灯已经成为一个照明新宠,备受瞩目。如果将白炽灯替换成LED电灯,可以实现CO2减排90%,这是最简单且有效的节能减排技术。1??技术发展现状及趋势LED光电转换效率包括内量子效率和外量子效率两部分。内量子效率主要取决于外延材料的质量SemiconductorTechnologyVol??35No??7??621??陈海明??:国外白光LED技术与产业现状及发展趋势及外延层的结构。外量子效率则取决于芯片及封装技术。外量子效率=内量子效率?出光效率,目前,LED的内量子效率已接近极限100%,所以提高出光效率对提高外量子效率非常重要。1??1??衬底及其外延生长技术GaN基LED外延片和芯片技术,是白光LED的核心技术。用于GaN研究的衬底材料比较多,但是能用于生产的目前只有两种,即蓝宝石(Al2O3)和SiC衬底。其他衬底还处于研发阶段,离产业化还有一段距离。表1对5种用于GaN生长的衬底材料性能的优劣进行了定性比较。表1??用于GaN生长的衬底材料性能优劣比较Tab??1??ComparisionofsubstratematerialforGaNgrowth衬底材料晶格失配度界面特性化学稳定性导热性能光学性能机械性能价格尺寸Al2O3差良优差优差中中SiC中良优优优差高中Si差良良优差优低大ZnO良良差优优良高中GaN优优优优优中高小寸(100mm)外延片材料成本大幅崩落,2英寸(50mm)的MOCVD设备将逐渐被4英寸(100mm)所取代。6英寸(150mm)的MOCVD设备最近也开始进入LED芯片的制造用途。Aixtron与SemiLEDs在2009年合作开发出6英寸(150mm)蓝光LED芯片,产出增加约30%[1]。不过现在的问题仍是6英寸(150mm)的晶圆价格偏高,必须降到每片约300美元时才有吸引力。SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石。SiC衬底具有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等特点。目前国际上能提供商用的高质量的SiC衬底的厂家只有美国Cree公司。Cree表示在2009年已经开始生产4英寸(100mm)的晶圆。但是不足方面也很突出,制造成本较高,晶体质量不如蓝宝石和Si,机械加工性能比较差。其他如Si,GaN,AlN,ZnO,LiAlO2等衬底材料虽然各有其特点,但因受工艺技术水平的限制,目前还未能进入产业化生产。但是实验室的研究却如火如荼,比如英国的RFMD公司已经在6英寸(150mm)Si片上生产出GaN外延[2],随着市场对LED需求的日益增长、工艺水平的提高,将会进一步推动这些衬底材料市场发展。1??2??芯片制备技术大功率LED芯片制备技术主要目的是提高出光效率,进而提高外量子效率。近年来一些新的技术手段已被用来提高外量子光效益,下面简单介绍几种。(1)表面粗化技术:通过化学腐蚀等方法使外延表面形成某种光学微结构,来减少全内反射的光,从而提高出光效率,出光效率可提高65%,同时解决了漏电参数不稳定,重复性差的问题,实现了批量生产。(2)倒装芯片技术:将蓝宝石一面作为出光面,较好地解决了电极挡光和蓝宝石不良散热问题,提高了散热效率,根据Lumileds公司的结果,出光效率约增加1??6倍。早期倒装在Si衬底上,2007年开始已倒装在陶瓷衬底上,进一步提高了出光效率。目前倒装技术成为大功率LED芯片技术的主流之一。2010年7月蓝宝石是现今最常用的衬底材料,其优点是稳定性很好,不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟,另外蓝宝石的机械强度高,易于处理和清洗。蓝宝石作为衬底的不足方面也很多,但基本上都被克服了。如与GaN之间的晶格不匹配数高达14%,为了获得晶体质量较好的GaN外延层,商业化生产采用的是两步生长工艺法。首先低温生长一层很薄的GaN和AIN作为缓冲层,再将温度调整到较高值生长GaN外延层。为了满足日益增长的市场需求,昭和集团(SDK)把MOCVD工艺和等离子辅助物理沉积(PPD)工艺相结合形成一种新工艺?????? 混合PPD工艺!。和传统的MOCVD工艺相比,生产效率更高,且形成的单晶GaN层的结晶品质有明显改善。利用这种新工艺,可以生产出优质4英寸(100mm)外延片。当前大部分LED是在2英寸(50mm)蓝宝石衬底上制造的。但大部分欧美与韩国厂商已使用4英寸(100mm)MOCVD设备。市场预期一旦4英622????半导体技术第35卷第7期陈海明??:国外白光LED技术与产业现状及发展趋势(3)氧化铟锡(ITO)透明电极:传统的NiAu合金电极对可见光的透过率仅为60%~70%,而ITO的透过率可达90%以上,因此利用ITO透明电极的高可见光透过率和低电阻是提高LED出光效率的有效途径之一。(4)分布布拉格反射层(DBR)结构:布拉格反射层是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构,它在有源层和衬底之间,能够将射向衬底的光利用布拉格反射原理反射回上表面,极大地减小了光从衬底出射,从而增加光的外量子效率。此结构可以直接利用MOCVD设备进行生长,有很好的成本优势,目前已经应用于商业生产。(5)光子晶体:通过晶格构造的设计来人为控制光的传播,人工控制材料的折射率及其透射和反射特性,提高LED的出光效率。在光子晶体的加工工艺上,激光全息光刻和纳米压印技术适用于大面积制作,且生产效率高、成本低、工艺过程简单。电子束光刻和干法刻蚀相对较成熟,但有刻蚀速率、制作效率等方面的局限,适于实验室研究。Lumileds制作的光子晶体LED,出光效率高达73%,最高亮度是一般LED的2倍。(6)图形化衬底PSS技术:通过在蓝宝石衬底表面制作细微结构图形,能有效降低体内的位错密度,从而提高器件的内量子效率;而且图形化衬底能使原本在临界角范围外的光线通过图形的反射重新进入到临界角内出射,从而提高了出光效率。PSS衬底技术工艺简单、成本低廉、显著改善器件性能,成为现阶段大功率LED器件的首选衬底技术。(7)薄膜技术:薄膜技术可以将金属层集成在LED内。这种 镜子!能将芯片内产生的光反射到LED顶部,并使光线从顶部射出,避免了光线或能量的损失,因而可大大提高LED的出光效率。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。从功率LED芯片技术的发展来看,薄膜结构芯片将会是未来照明级LED芯片技术发展的必然趋势。此外还有衬底激光剥离技术(LLO)、三维垂直结构芯片、交流芯片等新结构和新技术,它们都给芯片带来了技术创新,这里就不再一一赘述了。国际上主流的照明级LED芯片及器件制造商有着各自独特的外延和芯片技术路线。表2简要地July??2010[3]介绍了几家主流公司的工艺技术路线。表2??国际大厂照明级功率型LED芯片技术特点Tab??2??IlluminatedpowerLEDchipfeaturesofinternationalfamouscompany厂商产品特点Nichia正装、CreeSiC衬底垂直结构、薄膜芯片LumiledsTFFC、透明荧光陶瓷片正装Osram垂直、薄膜技术垂直结构、衬底转移技术SemiledsPSSITO1??3??封装技术封装技术对LED性能起着至关重要的作用。LED的封装形式主要有支架式LED、SMD贴片式LED及功率型LED三大类。支架式LED的设计已相对成熟,一般封装小功率LED器件。目前主要在衰减寿命、光学匹配、失效率等方面可进一步提高。SMD贴片式LED具有体积小、发射角大、发光均匀性好、可靠性高等特点。常用于小功率和中功率LED器件。尤其是顶部发光TOP型SMD最受关注。SMD??TOP型主要用于背光源和部分照明,市场需求量增长很快。功率型LED分为单颗1W和大功率LED组件。大功率白光LED封装一直是近年来的研究热点。目前功率LED封装结构的主要发展趋势是:尺寸小型化、器件热阻最小化、平面贴片化、耐受结温最高化、单灯光通量最大化。目标是提高光通量、光效、减少光衰、失效率、提高一致性和可靠性。功率型LED封装技术主要应满足以下两点要求:一是封装结构要有高的取光效率;二是热阻要尽可能低。目前的高亮度LED,光能转换效率还不到25%,因此封装的热管理技术拥有最大的改善空间,是最能够降低成本的地方。人们开发了许多改善热特性的低热阻封装结构和技术,如采用大面积芯片倒装结构,选用导热性能好的银胶和锡片焊,选用合适的基板材料及采用共晶焊接技术等方法,另外还有用于LED组件的散热技术如热管技术、采用均热板、将芯片封装在金属夹芯的PCB板上的结构等。为提高取光效率,需要设计外加的反光杯与多重光学透镜等方式进行二次光学设计。由于大功率LED随着功率的增加,组件的温度也会升高,传统的环氧树脂因无法承受这一高温而产生黄化。硅胶和硅树脂材料由于抗热和抗紫外SemiconductorTechnologyVol??35No??7??623??陈海明??:国外白光LED技术与产业现状及发展趋势线能力更强,不会产生感光层变黄和分层问题,并且具有良好的机械特性,透光率高,在大功率LED封装中得到广泛应用。目前的产品折射率已达到1??57。1??4??LED的当前水平及发展趋势(1)发光效率不断提高从LED技术发展来看,欧美及日系厂商仍是重要竞争者。就技术水平而论,目前以美国Cree公司最为领先。2010年Cree公司的白光LED的实验室光效已提高到208lm/W,这是目前的最高水平[4]。Cree公司于2009年第三季度开始量产目前业界最高水平(光通量达139lm、发光效率为132lm/W)的产品。预期一年内将开始量产161lm/W的高效能LED。2010年初Cree推出突破性照明级LED,亮度高达1500lm,光效75lm/W,采用了突破性的紧凑型12mm?13mm封装设计,是业内最小封装。大小只有与其相当的LED器件的28%。这是已经商业量产的产品[5]图1??对白光技术和成本的预测Fig??1??ForecastfortechnologyandcostofwhiteLED年12月日本OrionElectric与Doshisha共同开发并上市的 Luminous!系列,功耗为6??6W、总光通量为420lm、相当于60W白炽灯的产品售价2480日元;功耗为4??7W、总光通量为310lm、相当于40W白炽灯的产品售价仅1980日元,大幅实现了低价格化,其技术关键是配备了大量的小型LED封装[8]。Cree称2010年将继续聚焦于照明和显示屏两大领域,每周将供应数百万颗100lm/W以上的LED器件。欧司朗、Lumileds、日亚公司的白光LED光效都已经突破140lm/W,商业量产产品也都在100lm/W以上。LED的光效已是白炽灯的5倍以上。首尔半导体的主打产品Acriche是世界上唯一可以在交流电源下无需直流交流转换器就能驱动的半导体光源,比直流LED更加节能和更具成本效益。2010年2月份实现了发光效率达100lm/W、使用寿命超过35000h的AcricheLED,4月已开始投入量产,同时发光效率超过150lm/W的LED也已研制成功。将在今年年底之前投入量产[6]。(2)成本不断下降成本高是LED推广应用的障碍。产生1000lm的光通量,白炽灯的成本小于1美元,荧光灯的成本小于2美元。而LED光源产生1000lm的光能量,使用十颗大功率LED的成本超过了20美元。LED的成本问题是与LED技术层面瓶颈的解决紧密相连的。图1为DOE对白光LED成本的预测。预计到2015年白光LED的成本将可与荧光灯相当[7]。2009年7月前,LED电灯的市场价格每个不到1万日元(约748元)。但是随着夏普推出了售价4000日元(约300元)的LED电灯后,东芝照明、欧司朗等大型照明厂商都随之推出了4000日元价位的LED电灯。这一现象被称为夏普冲击。
2009624????半导体技术第35卷第7期。综上所述技术发展的趋势为:(1)高功效技术的研发水平加快,LED器件水平已远远超过了2008年美国能源局与日本JLEDS的预测。(2)成本急剧下降。技术创新步伐明显加快,推动LED照明实用化进程。2??LED产业发展现状与趋势2??1??产业概况最近两年LED市场呈现出井喷式增长的势头。2009年底LED市场新增7条LED生产线,2010年和2011年光/LED生产线新增数量分别为5条和6条以上。这些新增计划主要集中在中国大陆和台湾地区,还有一些在日本、印度和俄罗斯。SEMI对全球范围内的91条LED生产线和89条与光电器件相关的生产线进行了调查。结果显示,日本拥有的光电/LED生产线最多。拥有LED生产线的地区集中在中国台湾(占40%)、日本(占23%)和中国(占22%)[9]。根据LEDinside统计,2009年全球LED封装厂的产值总合达到80??5亿美元,相较2008年增长5%。日本的产值仍以33%居冠,中国台湾厂商以17%排名第二。而韩国则由2008年的9%窜升到2009年的15%,位居全球第三[10]。2010年7月陈海明??:国外白光LED技术与产业现状及发展趋势日本LED产业结构,除具有完整产业链外,在关键材料的供给上,如外延、荧光粉、封装材料等也都握有重要技术并为其他国家所望其项背。日本LED产业多聚集在高附加值产品上,例如笔记本电脑的LED背光源使用的侧发光LED晶片,对亮度、均匀性、稳定性等都有较高要求,再加上本身专利保护,能使产品维持在较高的单价。韩国LED产业在上游衬底及荧光粉两项关键材料方面基础较弱,擅长于外延和封装制造。韩国在大尺寸背光领域发展较快,拥有全球最大的面板产能与品牌出海口。主要企业有三星、LG和首尔半导体等。前两者之产能多仅供集团内使用,较具外销规模者仅首尔半导体。相较于亚洲厂商多注重在量产规模,欧美系LED厂商则在多方面布局,例如技术发展、产品开发或垂直整合等方面。欧美系LED厂商的量产规模不比日本、中国台湾,却掌握部分LED的关键技术,在众多LED专利上都有完整的布局。尤其是几大国际厂商??Osram,Philips以及Cree等不但拥有完整的产业供应链,在LED照明产业,更是全球前五之内。表3是2009年全球高亮度LED封装厂产值排名[10],资料来源于LEDinside。表3??2009年全球高亮度LED封装厂产值排名Tab??3??GlobalhighbrightnessLEDmakersrevenuerankingin2009排名厂商日亚欧司朗Cree三星LEDLumileds首尔半导体Stanely亿光丰田合成Lite??on63年度变化-10%-10%24%175%-1%52%15%-2%50%-10%外升到2009年的第4名,成为全球成长最迅速的LED厂商。这主要得益于大尺寸背光源市场。基于国内市场对LED背光模块强劲需求,公司计划增加50台MOCVD设备,预计至2010年底公司的MOCVD设备总量会达到150台[9]。2??2??产业发展的特点与趋势(1)全球产业格局呈垄断局面,企业集中度高,高端产品市场被少数国际公司占据,LED产业已形成以美国、亚洲和欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。(2)国际知名厂商间合作步伐加快,以占据有利市场地位。随着LED产业分工与竞争的加剧,国际大厂间的参股投资、代加工、代理销售、专利交互授权、策略联盟等合作步伐正日益加快。如日本住友电工成为美国Cree在日本的销售总代理、Cree和Osram签署长期供货协议,Nichia引进中国台湾OptpTech的投资等,国际厂商的合作步伐正在加快,形成互惠互利的联盟,共同占据有利市场地位。(3)新兴市场不断形成,持续推动产业规模增长。随着LED发光效率与性能的提升与改善,LED已从指示灯、手机背光、交通信号灯等成熟应用领域,逐步向中大尺寸LCD背光、汽车、照明等新兴应用市场渗透应用。(4)传统照明巨头继续加大产业投资,垂直整合加速形成LED照明体系。LED国际知名公司的布局仍然朝着一个目标前进,就是从LED晶片、封装,乃至于到应用端做整合,加强LED元件与终端应用产品的整体竞争优势。传统照明巨头Philips,Osram,GE等纷纷看好LED照明发展前景,均已通过外部收购或内部培植组建LED照明业务公司,并已形成LED与照明技术的垂直整合的优势体系。全球LED最大生产商日本的日亚公司近几年一直是LED封装产值冠军,如表4所示,2009年仍居全球第1名。它有完整的LED产业链。产量的70%为白光LED。同时,它还是以荧光粉为主要产品的规模最大的精细化厂商。它的荧光粉生产在全球占36%的市场份额。日亚公司新增的LED生产线2012年初将投入使用,届时日亚的LED产量将增加3倍。引人注目的是三星LED,从2008年的10名以July??20103??结语近年来白光LED技术和市场都呈加速发展之势,随着LED光效的提高、成本的降低,在不远的将来,LED必将取代传统的白炽灯、荧光灯和卤素灯成为照明的新型光源,并且随着其应用领域的扩大,LED市场的竞争也必将更加激烈。(下转第743页)SemiconductorTechnologyVol??35No??7??625??唐文圣??等:L波段六位数字移相器设计合可串联多个二极管,或者使用并联结构。成品的外形尺寸为64mm?37??5mm,目前已得到公司的规模生产。[4][5][6][7]4??结论从以上分析及对实物的测试可见,采用对均匀传输线加载电纳的补偿方法可以得到平坦的相移。使用最新的对PIN二极管的研究结果建立其非线性模型,使用金丝的实际测量得到的S参数,充分利用现代EDA软件,在设计阶段经过仔细的优化可以得到与实际非常接近的仿真结果,这样极大地减少了后期调试工作。在高低温环境下的测试表明该移相器有着很好的一致性。该方法同样适用于其它产品的设计,同时也为射频微波混合集成电路的设计提供了一种思路。参考文献:[1]WHITEJF??Microwavesemiconductorengineering[M]??NewYork:VanNostrandReinholdCompanyInc,9.[2]SCHIFFMANBM??Anewclassofbroad??bandmicrowave90??degreephaseshifters[J]??IEEETransonMTT??,):232??237.[3]阮成礼??毫米波理论与技术[M]??成都:电子科技大学(上接第625页)[8]出版社,9.QUIRARTEJL,STARSKIJP??Synthesisofschiffmanphaseshifters[J]??IEEETransonMTT,):.吴斌??S波段五位数字移相器研究[D]??电子科技大学硕士学位论文,.POZERDM??Microwaveengineering(ThirdEdition)[M]??张肇仪译.北京:电子工业出版社,.CAVERLYRH,DROZDOVSKINV,DROZDOVSKAIALM,etal??SPICEmodelingofmicrowaveandRFcontroldiodes[C]#Procof43rdIEEEMidwestSymposiumonCircuitsandSystems,Lansing,MI,USA,.KYHLJ,ANDERSSONM??AnadvancedPIN??diodemodel[J].MicrowaveJ,):206??212.(收稿日期:2010??01??
05)作者简介:唐文圣(1984??),男,四川达州人,硕士研究生,研究方向为射频微波电路与系统;敬守钊(1962??),男,四川射洪人,主要从事各种电子系统特别是射频及微波信道系统的应用研究;王韧(1965??),男,四川成都人,高级工程师,成都亚光微波电路与系统研究所所长,拥有五项微波电路与系统中国专利。[7]LED光效提升驱使成本降低LED照明前景乐观[EB/OL].()./2010??01/ART??00??.html.[8]日本LED灯泡价格再次剧降[EB/OL].().http://lights.ofweek..html.com/2010??03/ART??10??参考文献:[1]HUANGJ.AIXTRONandSemiledsannouncesuccessinfabricationofGaN??basedblueLEDchipson6??inchsapphirewafers[EB/OL].()./AIXTRONandSemiledsAnnounceFabricationofGaNbasedBlueLEDinchSapphireWafers.[2]PHILLIPSA,ZHUDD.UKcracksGaN??on??siliconLEDs[J].CompoundSemiconductor,):19??22.[3]PhilipLumileds制造出光提取效率最高的光子晶体发光二极管[EB/OL].()./detail??a43??36844.html.[4]KERRYK.Creebreaks200lumenperwattefficacybarrier[EB/OL].()./Cree.[5]Cree推出多芯片白光LED实现突破性的照明级应用[EB/OL].()./2010??02/ART??20??.html.[6]首尔半导体交流电驱动LED实现100Lm/W已量产[EB/OL].()./2010??04/ART??20??.html.July??2010Successinchipson6[9]MARKLAPEDUS.Nextfabwave:LEDs[EB/OL].(2010??03??11)./showArticle.jhtml?articleID=.[10]LEDinsideannounced2009revenuesofglobalLEDpackagevendors[EB/OL].()./2009-Revenues-of-Global-LED-Package-Vendors.(收稿日期:2010??06??
13)作者简介:陈海明(1955??),男,陕西人,高级工程师,毕业于西安电子科技大学,现任中国电子科技集团公司第十三研究所党委副书记、纪委书记、工会主席、管理者代表和总质量师,目前从事电子质量体系与可靠性方面的工作。SemiconductorTechnologyVol.35No.7??743??
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谁盘踞着LED核心芯片的高地
作为朝阳产业，半导体照明产业的技术仍在处于不断进步过程中，特别是关系到全球近1000亿美元的通用照明市场的半导体照明白光技术还需进一步成熟，当前，日本日亚及丰田合成、美国Cree 与LumiLEDs、欧洲Orsram 在世界半导体照明专利市场上暂时处于技术垄断地位，全球半导体照明产业竞争格局已尽形成。目前全球初步形成以亚洲、北美、欧洲三大区域为中心的LED 产业格局，以日本日亚、丰田合成、美国Cree、Lumileds 和Osram等为专利核心的技术竞争格局，几大大企业之间通过交互授权避免专利纠纷，其它企业则通过获得这些企业的单边授权避免专利纠纷，几大企业各具优势，但都专注于各自领域的高端市场，其它企业则角逐中高端、中低端乃至低端市场，构成产业的中心外围格局。半导体照明的世界布局近年来，世界各国在半导体照明产业领域跃跃欲试、剑拔弩张，巨大的跨国商机相继诱发催生了日本的“21世纪照明”计划、美国的“下一代照明计划”、欧盟的“彩虹计划”、韩国的“固态照明计划”、中国台湾的“新世纪照明光源开发计划”和中国大陆的“国家半导体照明工程”计划等国家级照明规划，促使日本、美国、欧盟、韩国、中国台湾和中国大陆等国家或地区携巨资前赴后继地在上游的衬底制作、外延晶片生长，中游的光刻、腐蚀、金属蒸镀、芯片切割和测试分选以及下游的器件封装、集成应用等各个环节展开了激烈地竞争。LED 照明产生的效益显而易见，世界各国都在政府的大力资助下加快推进LED 照明取代传统照明的步伐，日本、美国、欧盟、韩国、东南亚、我国台湾和中国政府都制定了相应的发展计划。美国：取代白炽灯荧光灯正在路上美国政府尤其制定了详细的中长期半导体照明战略计划。根据美国固态照明 LED 发展路线图计划，从2002 年到2011 年，美国政府计划每年投入0.5 亿美元，来资助企业、国家实验室和大学三方共同推动LED 照明技术的加速发展。LED 照明技术的发展目标是：发光效率将分阶段从2002 年的25lm/w提高到2007 年75lm/w、2012 年的150lm/w和2020 年的200lm/w,发光成本将从2002 的200 美元/千流明降低到2007 年的20 美元/千流明、2012 年的5 美元/千流明和2020 年的2 美元/千流明。LED 照明在2007 年开始渗透进入白炽灯照明市场、2012 年进入荧光灯照明市场，而大量取代白炽灯和荧光灯将分别在2012年和2020 年。日本：“二十一世纪照明”发展计划二期计划今年实现日本21世纪照明计划是由日本金属研发中心(The Japan Research and Development Center of Metals)和新能源产业技术综合开发机构(NEDO)发起和组织的为期5年()的一个国家计划。这项计划的参与机构包括4所大学、13家公司和一个协会，目标旨在通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝光和紫外LED技术使得照明的能量效率提高为传统荧光灯的两倍，减少CO2的产生。整个计划的财政预算为60亿日元。整个计划分为5个主要领域进行，即在衬底、外延片、制造装置、LED光源和LED光源的应用。该计划的技术路线图，其核心在于高质量材料的生长，高功率管芯的制备以及高效率白光荧光粉的获得。计划解决的问题包括：GaN基化合物半导体发光机理研究;UV LEDs的外延生长方法的改进;大尺寸同质衬底生长;开发近紫外激发的白光荧光粉，实现使用白光LED的照明光源。日本已经完成了“二十一世纪照明”发展计划的第一期目标，正在组织实施第二期计划，他们计划到2010年，LED的发光效率达到120lm/W.欧洲：彩虹计划欧盟设立了多色光源的“彩虹计划”(Rainbow Project CAlInGaN for Multicolor Sources)，成立了执行研究总暑，委托6个大公司和2个大学执行。韩国：“固态照明计划”韩国的“固态照明计划”经政府审议批准，年国家投入1亿美元，企业提供30%的配套资金，近期开始实施，预期2008年达到80 lm/W.韩国政府组织里有2个产业相关单位，一是主管工商业与能源的产业资源部以及主管财经的财政经济部。产业资源部表示，目前产业资源部光电相关发展有2 大计划，一是产业基础技术开发计划下之「GaN 光半导体」开发子计划，此一国家型计划时程自1999年12月起至2004年11月止为期5年，总经费为200亿韩元，政府与民间公司出资各占一半。研究项目包括以GaN 为研究材料之白光LED,蓝、绿光Laser Diode 及高功率电子组件HEMT三大领域，其中各三大领域之Leader厂商分别由KnowLEDge*On、Samsung Advanced Institute of Technology 及LG Institute of Technology 负责进度管理。预期效果则期望在2006 年达到替代10 亿美元的进口GaN 相关产品。另一个光电发展计划为在光州市设立韩国光产业振兴会(KAPID)，韩国光电技术研究院(KPTI)以及若干小型研究计划，发展时间自2000年起至2003年止为期4 年，总经费为4,020 亿韩元，由产业资源部与光州市政府及民间企业共同投资，其中KAPID于2000年5月成立，负责光电产业之信息研究与推动，而KPTI 则专注在光电技术之研究开发，新建筑物及相关研究设备则预计2003年才能全部完成。中国台湾地区：下一代照明光源开发计划由台湾政府和工业技术研究院主导，于2002年9月积极协助岛内十一家LED厂商成立“下一代照明光源研发联盟”,进行高亮度白光LED的研究和开发，并结合照明系统业界，2002年10 月在台湾”经济部“能源委员会与台湾区照明灯具输出同业公会的进一步支持下成立“半导体照明产业推动联盟”,并在台湾政府支持下，建立“高亮度白光LED专案计划”,希望透过半导体和照明产业之联谊活动，整合照明节能系统产品与元组件技术，同时结合台湾政府科技发展资源，利用台湾在半导体产业所形成的优势，加速高效率LED照明技术的研发和普及应用，提升台湾照明相关技术水准及产业竞争力，并制定相关LED产业政策，以创造台湾半导体照明产业的竞争优势。台湾地区推动的“下一代照明光源开发计划”,投资约6-10亿新台币，2005年目标是40 lm/W的LED投入生产，而实验室目标为100 lm/W.国外LED芯片巨头垄断中国照明市场趋势加强与中国本土芯片企业的暗落趋势形成鲜明对照，以Cree、Osram、Philip等五大LED芯片巨头为代表的国外企业进军中国市场的形势咄咄逼人，他们欲垄断中国LED照明市场的意图明显加强：Cree在保持2008年全年增长率达24%的情况下，积极为进军中国市场布局。2007年并购华刚(COTCO)的LED封装事业部，将其产业链延伸至中游的封装阶段，进一步扩大其在芯片方面的优势地位。目前，Cree正在积极推动与韩国显示器巨头LG Display在中国合资建造LED封装厂。Osram面对未来3年内中国巨大的照明市场，也积极在中国各个照明重镇设立研发、生产等分立机构，扩张其在中国的版图，如在佛山及绍兴建立照明应用及封装子公司，在上海、武汉及深圳等地设立研发机构等。Philip旗下的Lumileds则是利用Philip在中国已有的品牌优势及芯片优势在全国各地大力打造大型LED照明工程，积极推广其LED照明解决方案。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.以下是当前各家公司的工艺技术路线和产品现状。科锐(CREE)美国科锐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。科锐公司的功率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，科锐冷白光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。科锐公司是市场上领先的革新者与半导体的制造商，以显着地提高固态照明，电力及通讯产品的能源效果来提高它们的价值。科锐的市场优势关键来源于公司在有氮化镓(GaN)的碳化硅(SiC)方面上独一的材料专长知识，来制造芯片及成套的器件。这些芯片及成套的器件可在很小的空间里用更大的功率，同时比别的现有技术，材料及产品放热更少。科锐把能源回归解决方案用于多种用途，包括在更亮及可调节的发光二极管光一般照明，更鲜艳的背光显示，高电流开关电源和变转速电动机的最佳电力管理，和更为有效的数据与声音通讯的无线基础设施等方面有令人兴奋的可选择的方案。Cree的顾客有从创新照明灯具制造商到与国防有关的联邦机构。科锐的产品系列包括蓝的和绿的发光二极管芯片，照明发光二极管，背光发光二极管，为功率开关器件，无线电频率设备和无线电设备的发光二极管。技术优势：SiC基Ⅲ族氮化物外延、芯片级封装技术;大功率芯片和封装技术。欧司朗(Osram)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.欧司朗是世界上两大光源制造商之一，总部设在德国慕尼黑，研发和制造基地在马来西亚，是西门子全资子公司。欧司朗在中国共设有三个生产基地，并拥有研发中心，公司在华员工总数接近8000人。其中欧司朗(中国)照明有限公司成立于1995年，公司拥有员工约3500人，在全国设有近40个销售办事处。欧司朗中国已成为Osram亚太地区的实力中心，并在Osram全球战略中扮演重要角色。Osram的照明产品多达5000多个品种，能够充分满足人们在工作、生活及特殊领域的多方面需求。其产品系列包括：荧光灯、紧凑型荧光灯、高强度气体放电灯、卤素灯、汽车灯、摩托车灯、特种光源、电子镇流器和发光二极管等。先进的电子管理系统及完善的物流配送网络实现了Osram产品服务中国千家万户的愿望。技术优势：SiC衬底的”Faceting“;在白光LED用荧光材料方面具有领先优势;zz正装功率型封装技术及车用灯具技术。飞利浦(PHILIPS)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.飞利浦照明为所有领域提供先进的高效节能解决方案，包括：道路、办公室、工业、娱乐和家居照明等。在构筑未来的新型照明的应用和技术使用上，Philips也位居领导地位，例如LED技术。公司主要产品包括，氙汽车灯、道路照明、氛围照明。飞利浦确立在LED芯片领域的领导地位主要得益于对Lumileds的收购，Lumileds由安捷伦和飞利浦合资组建于1999年，2005年Philips完全收购了该公司。Philips Lumileds公司是世界领先的大功率LED照明解决方案供应商。该公司一贯致力于推动固态照明技术的发展，提高照明解决方案的环保性，帮助减少二氧化碳排放和减少扩建电厂的需求，而该公司领先的光输出、功效和热能管理就是在此方面长期努力的直接结果。PhilipsLumileds公司的LUXEONLED产品为商店、户外、办公室、学校和家居照明解决方案提供了新的选择。Philips Lumileds可提供各种LED晶片和LED封装，有红、绿、蓝、琥珀、及白光等LED产品。技术优势：独特热沉设计和Si-Submount”Flip-Chip“封装技术;在大功率白光照明管芯方面具有先发优势。日亚(Nichia)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.日亚化学，着名LED芯片制造商，日本公司，成立于1956年，开发出世界第一颗蓝色LED(1993年)，世界第一颗纯绿LED(1995年)，在世界各地建有子公司。日亚化学公司以”Ever Researching for a Brighter World“为宗旨，迄今致力于制造及销售以荧光粉(无机荧光粉)为中心的精密化学品。在研制发光物质的过程中，于1993年发表了震惊世界的蓝色LED以来，相继实现了紫外、黄色的氮化物LED及白色LED的商品化，大幅度扩大了LED的应用领域。此外，日亚化学公司正大力开发对于信息媒介的发展不可缺的紫蓝色激光半导体，希望将来氮化物半导体能成为半导体产业中重要领域的一部分。特别值得一提的是，年间，Nichia与多家企业签署了各种形式的交叉许可协议。其中，日，Nichia与首尔半导体签署的交叉许可协议最为引人关注，这标志着两家公司将正式停止耗时4年，在美国、德国、日本、英国、韩国所进行的所有专利官司案件，该交叉许可协议涵盖了LED和LD(激光二极管)技术，这些技术将允许双方可以无限制地使用对方的专利。此外，Nichia还与夏普、Luminus、AgiLight等公司签署了交叉许可协议。 技术优势：第一只商品化的GaN基蓝光LED/LD;拥有目前最好的荧光粉技术;蓝光激发黄色荧光粉技术专利;蓝宝石衬底外延生长技术。首尔半导体(Seoul Semiconductor)首尔半导体近些年增长速度迅速，已荣升世界顶级LED芯片制造商之列。据英国市场调研公司IMS Research的报告显示，首尔半导体2007年LED封装产品的总收入位居世界第四位。首尔半导体(株)在2006年和2007年分别被Forbes及Business Week两份杂志选定为”2006年亚洲最具前景企业“其可能性受到了认可。首尔半导体主力产品交流电源专用半导体光源ACRICHE被欧洲最权威杂志Elektronik选定为”最优秀产品奖“,2008年还被知识经济部授予了”大韩民国技术大奖“而被期待着成为先导国内外未来光源市场的企业。2008年度总销售额为2,841亿元，确保着5,000多个专利。全世界设有包括3个现地法人的25个海外营业所，114个代理店。首尔半导体的主要业务乃生产全线LED封装及定制模块产品，包括采用交流电驱动的半导体光源产品如：Acriche、高亮度大功率LED、侧光LED、顶光LED、贴片LED、插件LED及食人鱼(超强光)LED等。产品已广泛应用于一般照明、显示屏照明、移动电话背光源、电视、手提电脑、汽车照明、家居用品及交通讯号等范畴之中。技术优势：受光及发光体复合化，拥有”MODULE“化技术;拥有”DIGITAL“回路技术;拥有蓝光、白光LED在内的解决方案;拥有超迷你型、超薄型技术。丰田合成(Toyoda Gosei)丰田合成，总部位于日本爱知，生产汽车部件和LED,LED约占收入10%.丰田合成与东芝所共同开发的白光LED,是采用紫外光LED与萤光体组合的方式，与一般蓝光LED与萤光体组合的方式不同。如果将LED比喻为汽车，那么可以说，日亚化工提出了车轮和发动机的概念，而丰田合成则提出了车体和轮胎的概念。1986年，受名誉教授赤崎先生的委托，丰田合成利用自身在汽车零部件薄膜技术方面的积累，开始展开LED方面的研发工作。1987年，受科学技术振兴事业团的开发委托，丰田合成成功地在蓝宝石上形成了LED电极。因此，把丰田合成誉为”蓝色LED的先锋“并不为过。丰田合成在近年来的发展速度也相当快。1998年，其销售额为63亿日元，但到2002年，已增长至252亿日元。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.LuminationGELcore 是GE 照明与EMCORE 公司的合资公司，创建于1999 年1 月，总部位于美国新泽西州。公司致力于高亮度LED 产品的研发和生产。通过把GE 先进的照明技术、品牌优势和全球渠道与EMCORE 权威的半导体技术相结合，GELcore 已经在转变人们对照明的认识过程中扮演了重要的角色。GELcore 现有的产品包括大功率LED 交通信号灯、大型景观灯、其它建筑、消费和特殊照明应用等。通过把电子、光学、机械和热能管理等各个领域的技术相结合，GELcore 加快了LED 技术的应用并创造了世界级的LED 系统。另外，日，原由GE和Emcore合资成立的公司GELcore现已改名为Lumination.GE(通用)在2006年8月末以现金1亿美元购买Emcore所持的GELcore股份，将GELcore变为其全资子公司，从那时起，GELcore一直努力表现得与以往不同，并与日亚(Nichia)形成战略联盟。为进一步表明公司对通用LED照明的倚重，GELcore将名字改为Lumination.大洋日酸大洋日酸公司的有机金属气象化学沉淀技术的研究和开发可以追溯到 1983 年，在日本80 年代整个化合物半导体工业革命大背景之下产生。大洋日酸研发了一系列高纯度气体如AsH3,PH3 和NH3 的专业应用技术，以及用于生产LD 和LED 产品的MOVPE 设备。大洋日酸还开发了用于吸收这些应用产生的大量废气的净化系统，并使之商品化。到目前为止，大洋日酸已经为从研发机构到生产厂商等有着不同需求的客户提供了超过450台的OCVD 设备。其中大洋日酸的GaN-MOCVDSR 系列，包括SR-2000 和SR-6000 是专门为蓝色镓氮LED、半导体激光和电子设备的研究和生产而设计。
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