照明級LED芯片技術(shù)的發(fā)展

冰點檸檬

從2006年8月，科技部啟動“十一五”863計劃新材料領(lǐng)域“半導(dǎo)體照明工程”重大項目以來，我國LED外延材料、芯片制造、器件封裝、熒光粉等方面均已顯現(xiàn)具有自主技術(shù)產(chǎn)權(quán)的單元技術(shù)，部分核心技術(shù)具有原創(chuàng)性，初步形成了從上游材料、中游芯片制備、下游器件封裝及集成應(yīng)用的比較完整的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)體系。本欄目將陸續(xù)介紹863項目的進展，以促進科技成果產(chǎn)業(yè)化。

　　半導(dǎo)體照明被譽為第三代照明技術(shù)并在世界范圍內(nèi)引起廣泛的關(guān)注，其核心技術(shù)和競爭領(lǐng)域主要是在整個產(chǎn)業(yè)鏈的上游，即外延和芯片。近年來，半導(dǎo)體照明功率型LED芯片技術(shù)的研究和開發(fā)得到長足的發(fā)展，半導(dǎo)體照明也將在未來幾年內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。在所有可實現(xiàn)半導(dǎo)體照明的相關(guān)材料中，氮化鎵（GaN）基材料是最重要的，也是最有希望真正意義上實現(xiàn)半導(dǎo)體照明的材料。GaN基發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode, LED）材料與器件是當前研究開發(fā)和商業(yè)化的重點與熱點。


　　國外半導(dǎo)體照明芯片技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　目前，Cree、Nichia、Lumileds、Osram等少數(shù)幾家國外公司是國際上主流的照明級LED芯片及器件制造商，他們具有各自獨特的外延和芯片技術(shù)路線，各家所生產(chǎn)的芯片產(chǎn)品封裝白光器件的發(fā)光效率普遍超過100lm/W（見表1）。下面簡要地介紹當前各家公司的工藝技術(shù)路線和產(chǎn)品現(xiàn)狀。


      國內(nèi)半導(dǎo)體照明芯片技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　國內(nèi)半導(dǎo)體照明芯片技術(shù)的發(fā)展相對國外起步較晚，技術(shù)水平離國際領(lǐng)先業(yè)者還存在一定距離。不過，最近幾年，在政府有關(guān)部門的引導(dǎo)和支持下，國內(nèi)照明級LED芯片技術(shù)的研究、開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化工作取得了長足進步。特別是在“十五”國家科技攻關(guān)計劃“半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)”項目和“十一五”863計劃半導(dǎo)體照明工程項目的引導(dǎo)下，國內(nèi)各大LED芯片制造商以及研究所依靠各自科研力量，大力投入對功率型照明級LED芯片技術(shù)的開發(fā)，技術(shù)水平不斷提升，產(chǎn)業(yè)化進程逐步深入，逐漸縮小與國際領(lǐng)先業(yè)者的差距，取得了一系列令人鼓舞的成果。這期間經(jīng)歷了“外延片從外購到自制，芯片結(jié)構(gòu)從正裝到倒裝再到正裝，光效從30lm/W到60lm/W再到100lm/W”的發(fā)展歷程。

      目前，國產(chǎn)功率型照明級LED芯片產(chǎn)品在光效、壽命以及可靠性等性能方面都取得較大進展，開發(fā)出圖形襯底、透明電極和全方位反射鏡等一系列關(guān)鍵工藝技術(shù)。產(chǎn)業(yè)化方面，以三安光電為代表的國內(nèi)廠商突破了100lm/W的技術(shù)大關(guān)，順利完成了863計劃課題目標。圖1展示了國內(nèi)上游廠商推出的各種外觀功率型LED芯片，芯片結(jié)構(gòu)全部采用技術(shù)較為成熟且制作成本較低的正裝結(jié)構(gòu)。國產(chǎn)芯片有望憑借優(yōu)越的性能和極具競爭力的價格優(yōu)勢在“十城萬盞”試點示范工程、大尺寸液晶顯示屏背光以及室內(nèi)通用照明等應(yīng)用領(lǐng)域逐步滲透并最終取代進口芯片，推動中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)鏈整體的健康發(fā)展和茁壯成長。


　　三安光電作為國內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)上游的龍頭企業(yè)，非常注重技術(shù)創(chuàng)新，在政府有關(guān)部門的支持下，加大對照明級芯片的研發(fā)和攻關(guān)力度。三安光電在不同的時期，針對研究熱點和趨勢，并結(jié)合自身需求和產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，開發(fā)不同特點的功率型LED芯片產(chǎn)品（如圖2所示）?！笆濉眹铱萍脊リP(guān)計劃時期，三安開發(fā)出基于雙向齊納硅基板的倒裝焊結(jié)構(gòu)芯片；“十一五”時期，三安開發(fā)了基于圖形襯底、全方位反射鏡等技術(shù)的正裝結(jié)構(gòu)芯片產(chǎn)品，該產(chǎn)品封裝白光器件的最高光效可達105lm/W，這可以說是國內(nèi)目前所能達到的最高水平。薄膜結(jié)構(gòu)氮化鎵芯片是三安光電下一步研發(fā)的重點，三安目前已完成垂直薄膜芯片的初樣試制，測試光效可達90lm/W。未來，三安光電將從薄膜氮化鎵芯片的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計；永久襯底的選擇和粘合工藝；生長襯底的剝離工藝；反射性P電極系統(tǒng)的設(shè)計和制作工藝；氮極性面N型歐姆接觸制作工藝；出光表面的粗化工藝；光子晶體技術(shù)在薄膜芯片的應(yīng)用等七個方面著手，攻關(guān)150lm/W照明級薄膜氮化鎵LED芯片技術(shù)并力爭實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。












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