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蓝宝石遭遇“滑铁卢” LED衬底“四剑客”布局如哪般!

  目前用于LED产业化的衬底主要有蓝宝石(Al2O3)、SiC和Si,Cree公司用SiC为衬底,东芝公司宣布8″的硅衬底生长LED将于2013年产业化,其余的大部分以蓝宝石为主。全球生产蓝宝石衬底有130多家,其中有80多家是近两年加入的。

        2012年的需求量约9600万片(以2″计算),其中蓝宝石图形化衬底(PSS)占70%~80%,目前仍以2″和4″衬底片为主,由于同样面积的6″晶片比2″晶片要多出52%芯片,所以预测几年后将以6″为主。由于生产能力过大,供大于求,致使蓝宝石晶片价格大幅度下降,大约为每片7~8美元。在蓝宝石晶体生长上大部分采用A轴向生长,取出C轴向的晶片,材料利用率过低,2″为35%左右,6″约为20%。

       据有资料显示:采用CHES法直接按C轴向生长,材料利用率可达75%,而且减少了张力和应力,从而降低了衬底晶片的弯曲度和翘曲度,因此,极大提高了蓝宝石衬底的生产效率、晶片质量及降低成本。近几年全球正在研究很多LED的新衬底,取得了很大成果。

  中国生产蓝宝石衬底的企业约50家,其中已投产约30家左右,生产能力已达1亿片/年(以2″计算),超过全球的需求量。而且由于蓝宝石企业直接生产PSS衬底的不多,企业的竞争力较差,企业走向转型、整合、兼并是必然的。另外,还有山东华光采用SiC衬底生长LED,南昌晶能采用6″的Si衬底生长LED,均取得较好成果。

   蓝宝石衬底

  (1)图形衬底

  衬底是支撑外延薄膜的基底,由于缺乏同质衬底,GaN基LED一般生长在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底之上。发展至今,蓝宝石已经成为性价比最高的衬底,使用最为广泛。由于GaN的折射率比蓝宝石高,为了减少从LED出射的光在衬底界面的全发射,目前正装芯片一般都在图形衬底上进行材料外延以提高光的散射。常见的图形衬底图案一般是按六边形密排的尺寸为微米量级的圆锥阵列,可以将LED的光提取效率提高至60%以上。同时也有研究表明,利用图形衬底并结合一定的生长工艺可以控制GaN中位错的延伸方向从而有效降低GaN外延层的位错密度。

  目前LED外延现阶段普遍使用图形化衬底(PSS),PSS目前分为微米级PSS和纳米级nPSS,微米级PSS有各种形状图形,如正角形、梯形、圆形、椭圆形、半球形、三棱锥形、六棱锥形、火山口形等,图形高度一般1.1~1.6μm,圆直径2.5~3μm,周期约4μm,采用光微投影及电浆干式蚀刻技术,2″圆片的成品率为80%~93%,4″圆片为40%~70%,一般可提高光效30%~40%。nPSS一般采用纳米压印技术,图形大小约260nm,周期约460nm,一般可提高光效70%左右,正在采用纳米光微影(NIL)新技术,将会降低nPSS成本,并可适用大晶圆尺寸,为此介绍二种纳米级nPSS。

  nPSS衬底

  nPSS采用纳米压印是接触式,对纳米模板及衬底平行度要求苛刻,脱模、排气及母版污染等是影响成品率的主要因素,该技术瓶颈将尽快突破,将成为2013年的主流,nPSS优点:LED更高发光效率,均匀性更好,成本低。如在蓝宝石衬底上用纳米压印光刻获周期为450nm圆孔的六角形阵列,使绿光LED输出光功率是原来的三倍。

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