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硅衬底LED技术现状、应用情况及趋势展望

手机闪光灯

手机闪光灯市场所用的产品主要是利用Si衬底蓝光芯片和陶瓷底板尺寸为2.0x1.6,并利用静电喷涂工艺、特制的白胶、压膜胶等重要工艺做成的。此类产品非常适合用在手机闪光灯上,主要是除了在同等流明值下,中心照度比传统产品(蓝宝石衬底)高5%左右,且发光角度小外,另将在压膜层里添置扩散粉,使发光颜色更加均匀(如下图)。

目前,已大量应用在华为、中兴、联想、小米、魅族、360等品牌手机应用厂家,平均每个月有1000万台智能手机在使用晶能光电LED手机闪光灯,出货量居国内前列。

硅衬底LED技术现状、应用情况及趋势展望

后装车灯市场

后装车灯市场主要是追求亮度高,耐高温、通大电流等,所以用的产品主要是利用大尺寸Si衬底蓝光芯片与氮化铝陶瓷底板(尺寸为5.0x5.0)金锡共晶,并利用贴荧光膜或喷涂技术等重要工艺做成的。如公司产品XM2采用Si衬底80mil蓝光芯片,与5.0x5.0氮化铝陶瓷底板金锡共晶之后,在芯片上贴一层厚度为50um荧光膜,再压一个lens,最后进行测试、分选、贴带、入库。此产品最大可通3A电流,亮度>1000lm@3A下。再如公司产品HP-50,采用4颗Si衬底56mil蓝光芯片,与5.0x5.0氮化铝陶瓷底板金锡共晶之后,在底板上喷一层荧光粉,并芯片在周围围上白胶,最后压一个特别的lens来提供亮度。此产品可以兼顾电压6V或12V,最大可通3A电流,亮度可达2000lm。

硅衬底LED技术现状、应用情况及趋势展望

在工业固化领域,传统的UV光源中的汞元素会严重污染环境,用UV LED取代汞灯的趋势已经不可逆转,硅衬底LED也在相应的扩大该领域的市场应用。

5.目前硅衬底LED尚存在的技术壁垒及攻克方法

如前文所述,尽管在硅衬底上生长GaN之前先生长缓冲层,然而由于硅衬底和GaN材料之间的晶格失配实在太大,导致GaN内部的位错密度仍然偏高。这些位错是电子和空穴的非辐射复合中心,影响LED的内量子效率。尤其是在高温下,非辐射复合几率显著增大。为了攻克这个技术壁垒,需要从设备制造、衬底制备和生长工艺等方面多管齐下,找到一套解决硅衬底LED的最有效方案。

6.硅衬底LED的发展趋势预测

提高光效,降低成本或者说性价比是LED行业永恒不变的主题。硅衬底薄膜芯片必须封装之后才能应用,封装的成本占据了LED应用成本较大一部分。跳过传统封装,直接在晶圆上做好封装器件,也就是说在晶圆上做芯片级封装(chip scale Package,CSP)可以跳过封装端,直接从芯片端进入应用端,可以进一步降低LED的应用成本。CSP是硅上GaN基LED的前景之一。国际大公司如东芝和三星都报导过用硅衬底LED做CSP,相信不久的将来就可以在市场上看到相关产品。

近几年,LED行业的另一个热点是Micro LED即微米级LED。Micro LED的尺寸在几微米到几十微米,几乎和外延生长的GaN薄膜厚度在一个级别。在微米级的尺寸,GaN材料可以不需要支撑,直接做成垂直结构的体GaNLED。也就是说在制备Micro LED的过程中,生长GaN的衬底是必须去除的。硅衬底LED的一个天然优势是硅衬底仅通过化学湿法腐蚀就可以去除,去除衬底的过程中不会对GaN材料有任何冲击,可以确保良率和可靠性。从这个角度来看,硅衬底LED技术在Micro LED领域势必会有一席之地。

7.典型企业简介:晶能光电

硅衬底LED技术现状、应用情况及趋势展望

晶能光电自成立以来,一直从事硅衬底LED外延材料、芯片及器件、下游应用产品的研发、生产、销售等服务,于全球率先实现硅衬底LED芯片的量产,具有材料成本低、性能好、可大尺寸规模化制造等优势。其自主创新的硅衬底LED技术荣获2015年国家技术发明奖一等奖,打破了日本蓝宝石衬底技术和美国碳化硅衬底技术垄断半导体照明技术的局面,已成为全球第三条蓝光LED技术路线。这项技术的创新从源头上避开了国外的专利壁垒,现在已经申请或拥有340多项专利,包含国际专利47项,分布在美国、欧洲和日本韩国等主要工业国家,有效抵御了国外专利诉讼,建立了具有自主知识产权的产品品牌,打开了LED产品出海口的通路,为全球消费者提供全方位的高端LED照明产品和解决方案。

(作者:梁伏波)

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