功率型ＬＥＤ芯片产业格局

功率型ＬＥＤ芯片产业格局

摘 要：文章介绍了大功率LED芯片产业的发展历史和产业前景，论述了大功率LED芯片产业化的关键技术。

关键词：光电功率转换效率；取光效率；MOCVD；晶片键合

１、前言　

功率型ＬＥＤ芯片的产业化关键技术包括以下四个重要环节：
（1）通过加大工作电流提高芯片的整体功率；
（2）采用新型的封装结构提高光电功率转换效率；
（3）设计新的芯片结构以提高取光效率；
（4）采用导 热和光学性能优良的材料，在大电流下降低芯片结温。

四个环节相辅相成，共同推动功率型ＬＥＤ的大规模产业化，构成半导体照明的核心力量。　

２、基础原理

半导体ＬＥＤ若要作为照明光源，与常规产品白炽灯和荧光灯等通用性光源的光通量相比，差距较大。因此，ＬＥＤ要在照明领域发展，关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。

照明用Ｗ级功率型ＬＥＤ要实现产业化，应从以下技术层面进行整体创新突破，从而全面提高功率型ＬＥＤ产品的生产质量和产量。目前国内从事功率型ＬＥＤ研发生产的厂家多关注于个别技术点，尤其是封装技术。

现在需要倡导的的创新理念是一定要整体创新、全面突破，因为功率型ＬＥＤ芯片产业化的四个关键技术环节是相互制约同时又能相互促进的，只有全面提升才能拓宽产业化道路。

３、大功率ＬＥＤ产业简史

功率型ＬＥＤ器件的研发起始于上世纪90年代中后期，超高亮度ＩｎＧａＡＩＰ红黄光与ＩｎＧａＮ蓝绿光器件的研制成功与迅猛发展，为功率型器件的开发奠定了基础。首先是美国的ＨＰ公司通过将ＧａＰ晶片直接键合于ＩｎＧａＡＩＰ红黄光ＬＥＤ芯片，制成透明衬底（ＴＳ）的“食人鱼”型大功率器件，其正向工作电流达７０ｍＡ，耗散功率大于１５０ｍW，最高量子效率超过５０％，波长６１１ｎｍ的ＬＥＤ器件的流明效率可达１０２ｌｍ/W。

3.1、国际先行者

本世纪初，ＨＰ公司推出了ＴＳ倒梯形结构的功率型大面积芯片，工作电流可进一步增大至５００ｍＡ，发光通量大于６０ｌｍ。以脉冲方式工作时，则可达１４０ｌｍ。

德国Ｏｓｒａｍ公司通过在器件表面制作纹理结构，于２００１年研制出新一代功率型ＬＥＤ芯片，获得了大于５０％的外量子效率，其基本性能与ＴＳ结构的ＬＥＤ相当。目前，该器件的制作工艺已大为简化，可批量生产。

3.2、国际先进行列

对于ＧａＮ基蓝绿光器件，美国Ｌｕｍｉｌｅｄｓ公司于２００１成功研制了倒装芯片结构的ＡＩＧａＩｎＮ的功率型器件。当该器件的正向电流为１Ａ，正向电压为３．３Ｖ时，光输出功率达４００ｍW。据可靠性试验表明，该器件性能极为稳定。

同时，美国Ｃｒｅｅ公司开发了背面出光功率型的ＡＩＧａｌｎＮ/ＳｉＣ　ＬＥＤ芯片结构，该器件的芯片尺寸达０．９ｍｍ×０．９ｍｍ，采用米字型电极，其工作电流为４００ｍＡ时，输出光功率达到２５０ｍW。

3.3、国内情况

我国台湾省是世界上开发生产各类ＬＥＤ器件的主要地区之一。继国联光电研制成ＧＢ大功率ＩｎＧａ-ＡＩＰＬＥＤ之后，光鼎电子也成功开发了白光与各种色光的功率型ＬＥＤ器件，并投入了批量生产。这类器件在不附加额外热时，可通过１５０ｍＡ的工作电流，红、黄、蓝绿光的光通量分别为４～６ｌｍ与２～４ｌｍ。

我国大陆较晚开展超高亮度红、黄与蓝绿光器件的研制工作，目前上海大晨光电的功率型器件开发工作也达到了一定的水平。　

3.4、国内产业现状

到２００４年全国已有ＬＥＤ各类企业约３５００余家，从业人员５０余万人，ＬＥＤ器件产量超过４００亿只/年，年市场规模大于３００亿人民币。目前市场主要集中在珠江三角区域及长江三角区域等制造业发达的地区，市场份额占到全国各类ＬＥＤ应用市场的９５％以上。

全国ＬＥＤ企业９９％的厂家都从事后道封装生产，所需芯片几乎全部从国外进口。“九五”以来通过技术改造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技术，使得我国ＬＥＤ的生产技术向前跨进了一步。ＧａＡｓ和ＧａＰ单晶、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ液相外延、ＬＥＤ芯片制造已达到小批量生产能力。

近年来，我国ＬＥＤ产业平均增长率大于３０％。１９９８年实现销售收入２２．４４亿元，产量约为６５亿只，产值达３５亿元，初步形成了产业规模。

在众多生产商中，后道封装厂主要有佛山光电、厦门华联、苏州半导体厂、深圳奥伦德电子等２０余家，但中小型封装厂家在珠江三角洲就有３００多家；

在芯片制作方面有主要有５家，深圳奥伦德、南昌欣磊、厦门三安是目前仅有的能够批量供应芯片的厂商，每月累计产量仅达１０００ＫＫ只，供不应求。

3.5、国家半导体照明工程

２００３年６月１７日，“国家半导体照明工程”协调领导小组召开了第一次电视电话会议，“国家半导体照明工程”正式启动。

２００４年３月２２日，协调领导小组与中国照明电器协会联合主办了“２００４年中国国际半导体照明论坛”。批准建立上海、厦门、大连、南昌四个半导体照明基地。

２００５年４月，深圳成为第５个国家半导体照明产业基地。２００４年深圳ＬＥＤ产值已超过５０亿元，有些企业的产值高达１０亿元，分布在上、中、下游产业链上的企业有３００多家。

国家计委、科技部发布的“国家优先发展的高技术产业化重点领域指南”中指出，功率型ＬＥＤ是光电器件，是新型电子显示器件，是国家优先支持的重点产业。ＩｎＧａＡｌＡｓ四元素红、绿、黄色超高亮度外延片是超高亮度ＬＥＤ的关键材料，是国家重点支持的产业。

4、功率型ＬＥＤ产业化的关键技术路线

功率型LED产业化的关键技术如下表示。

４．１　金属有机化合物汽相淀积（ＭＯＣＶＤ）　

采用金属有机化合物汽相淀积的外延生长技术和多量子阱结构增大芯片面积，从而加大芯片的工作电流，提高芯片的整体功率。从目前单芯片１Ｗ、３Ｗ和５Ｗ的大功率ＬＥＤ向功率高至１０Ｗ，具有更高发光效率、经济实用的固态ＬＥＤ照明光源迈进。

4.2、晶片键合（Wａｆｅｒ　Bｏｎｄｉｎｇ）　

采用新型封装结构的主要目标是提高光电功率转换效率。目前采用晶片键合以透明的ＡｌＧａＩｎＰ衬底（ＴＳ）取代吸光的ＧａＡｓ衬底（ＡＳ）的倒梯形结构的功率型大面积芯片，工作电流可达５００ｍＡ，光通量大于６０ｌｍ，以脉冲方式工作时，则可达１４０ｌｍ。

采用ＩｎＧａＡｌＰ（ＡＳ）纹理表面结构的新一代功率型ＬＥＤ芯片，可以获得大于５０％的外量子效率，其基本性能与ＴＳ结构的ＬＥＤ相当，不仅可取代常规的方形芯片，而且还可以很容易按比例放大成为功率型的大尺寸芯片，因此在降低生产成本和实现产业化规模生产方面，纹理表面高效取光结构的ＩｎＧａＡｌＰ（ＡＳ）ＬＥＤ具有广阔的发展前景。　

4.3、芯片结构　

设计新的芯片结构目标是提高取光效率。功率型ＬＥＤ所用的外延材料，虽然其内量子效率还需进一步提高，但获得高发光通量的最大障碍乃是芯片的取光效率低，其原因是半导体与封装环氧的折射率相差较大，致使内部的全反射临界角很小。

目前，按照常规理念设计的超高亮度ＬＥＤ远远不能满足固体照明所需的光通量。为提高ＬＥＤ的光通量，满足固体照明的要求，必须采用新的设计理念，用倒装焊新结构来提高芯片的取光效率，从而获得较高的光通量。

4.4、生产工艺

（1）金属有机化合物汽相淀积（ＭＯＣＶＤ）；
（2）多量子阱结构；
（3）倒装焊接；
（4）晶片键合；
（5）纹理表面结构；
（6）动态自适应粉涂布量控制。

4.5、产业化技术指标

（１）芯片功率：１Ｗ，３Ｗ，５Ｗ（１０Ｗ级目前为实验室产品）；
（２）产品成品率≥９５％。

5、市场预测

5.1、产品用途　

功率型ＬＥＤ作为典型的绿色照明光源，蕴含着诱人的市场前景。２００４年全球ＬＥＤ应用市场的规模超过１２０亿美元，预计２０１０年全球将达到５００亿美元，中国将达到６００亿元人民币。据中国光学光电子协会统计，国内市场将保持３０％以上的增长速度。

手电筒、矿灯、航标灯等均属于大功率ＬＥＤ的重要应用领域。现在各厂家均在积极尝试用功率ＬＥＤ取代普通白光ＬＥＤ，一旦功率ＬＥＤ产品实现批量化生产，价格下降至１５元以下，将进入大批量应用的产业阶段。　

车用市场亦将是白光ＬＥＤ的高成长领域，汽车内外部照明均会用到功率ＬＥＤ。手机Ｆlash、３００万像素以上数码相机闪光灯将会大量采用功率型TOP LED。

城市灯饰、景观灯（方向灯、迷你聚光、装饰、建筑细节、穹顶照明等）会逐步用功率ＬＥＤ取代霓虹灯，此领域市场巨大。

5.2、美国ＣＩＲ预测数据

据美国市场研究公司Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ（ＣＩＲ）预测，全球ＬＥＤ市场将从２００４年的３２亿美元，增长至２００８年的５６亿美元；高亮度发光二极管市场产值将由１６亿美元增至２６．４亿美元；而超高亮度发光二极管市场将从２００６年起快速成长，并于２００８年占据全球市场２２％的份额。

5.3、国内的产业规划

２００３年３月，随着我国“十五”科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发”重大项目的正式立项，国家半导体照明工程已进入实质性推进阶段。

科技部建议，在将半导体照明产业纳入国家重点发展的高新技术产业的同时，以２００８年北京奥运会和２０１０年上海世博会为契机，推动半导体灯在城市景观照明中的应用。

5.4、国内外市场竞争力

功率型ＬＥＤ产品已获市场认可，供不应求，目前产销矛盾突出。在技术路线正确，技术指标先进，技术分析可行的前提下，确定合理的生产规模，其产业化的目标是能够实现的。

功率型ＬＥＤ项目是高技术、高投入、高产出项目，在国内外市场上都具有相当的竞争能力。目前所用功率型ＬＥＤ芯片基本依靠进口，如果本国功率型ＬＥＤ产业化后产能大幅提高，可以大大减少进口，节省大量外汇，并可打入国际市场，能取得较好的经济效益和社会效益。　

5.5、当前主要原材料供应商

外延片：信息产业部十三所、江西联创光电、日本日立电线、日本日亚、日本三菱化学、日本信越光电、日本住友电工、南韩Ｐｒｏｗ－ｔｅｃｈ，俄罗斯半导体研究所。

混合蒸镀源：贵研铂业、贺力氏招远、宁波康强。

光刻胶及化学药品：北京化学研究所、苏州瑞红、东江化学。

来源：LED芯片网