LED芯片技术创新从工艺材料出发

被贴上“低碳”“环保”等标签的LED正在改变我们的生活，市场认知度也越来越高。和电子信息产业其他领域类似，芯片成为LED产业链中价值最大的一个环节。纵观近年的发展，LED芯片技术经过了内量子效率提升和以图形衬底(PSS)技术、ITO透明电极技术、隐形切割(或侧壁腐蚀)技术、芯片版图设计等为主要组成部分的外量子效率提升，再加上封装技术的进步，发光效率成倍提升，成本价格随之下降，全面验证了LED行业中的摩尔定律即Haitz定律。提升光效、改善散热、降低成本一直是LED芯片技术发展方向和企业战略诉求。

图为LED芯片研制车间

HV-LED成工艺创新方向

HV-LED在高效、成本、稳定性方面均有很强的竞争力，目前整个市场还没有非常成熟的产品。

“随着产品竞争越来越激烈，技术的竞争显得更为关键，谁保持了创新，谁的技术水平走在了前面，那么谁就在市场上站稳了脚跟。”山东浪潮华光光电子股份有限公司副总经理肖成峰在接受《中国电子报》记者采访时这样看待LED芯片的技术创新。可以说，LED芯片技术创新，对提升产品指标、降低生产成本等方面起着至关重要的作用。

在谈到LED芯片技术的创新，肖成峰告诉记者，对于HV-LED(高压LED)，目前整个市场还没有非常成熟的产品，但未来照明领域，HV-LED一定有它的优势。

那么何谓HV-LED?记者了解到，在制造LED大功率产品中，企业的通常做法是在电压不变的情况下，增加电流，但电流越做越大时，产品产生的热量也在加大，对LED产品寿命伤害也极大，产品稳定性也不高。如果在电流不变的情况下，增加单颗芯片的电压，从而使热量减少，光效提高，成本减少，这种产品即为高压HV-LED。也就是说，HV-LED在光效、成本、稳定性方面均有很强的竞争力。其是芯片未来技术发展方向也是情理之中的。

直观地看，在电压不变情况下，把单颗3V芯片作串并关系的排列组合来得到所需的电压与电流，串联在LED支架或基板上，如：3×4LED串联或3×5LED串联，导致电流量极大。随着HV-高压LED的面世，这种现象得到巨大改善，企业在电流不变的情况下，增加单颗芯片电压，把许多串联的LED变成单颗芯片，解决了问题所在，产品的光效也得到最大限度的提升。 “HV-LED是发展趋势，目前全世界主流LED企业都在往这方面发展，而且HV-LED的优势是压降小、高PF值(Power Factor)、热度小、电源效率高、产品零部件更少，成本更低。”新创科技有限公司总经理魏伟珍告诉记者。据了解，目前国外主流企业如日亚、三星、科锐、欧司朗等公司均将HV-LED当作芯片研发发力的战略重点。

在衬底材料上做文章

未来多种衬底材料同台竞争，其中蓝宝石和硅材料市场占有率最高。

“蓝宝石衬底还是硅衬底?”相信这个问题还会持续争论很长一段时间。

目前市场上LED用到的衬底材料有蓝宝石、SiC、Si、ZnO以及GaN，中国市场上99%%的衬底材料是蓝宝石，而就全球范围来看，蓝宝石衬底的LED市场份额也占到95%%以上。但是蓝宝石衬底的LED技术已发展成熟，相关专利网已被国际领头公司严密布局，对后来者非常不利。同时为了降低成本，基于蓝宝石衬底的LED外延片尺寸的扩大(如6英寸)也面临着一系列技术上的难题。很多LED厂商为了进一步提高产品的性价比，纷纷开始研发新的技术路线。诸如韩国首尔半导体公司研发GaN衬底的LED同质外延技术，美国普瑞光电公司、欧司朗Osram、韩国三星、日本东芝等众多公司在开发硅衬底GaN基LED技术。我国晶能光电“GaN-On-Si LED外延芯片制备技术/硅基大功率蓝光芯片”还曾荣获“2012中国LED行业创新技术和产品奖”。

晶能光电的硅衬底LED技术研发副总裁孙钱向媒体表示，晶能光电去年在全球率先开始量产新一代硅衬底大功率LED。与传统的蓝宝石衬底LED芯片的封装方式不一样，硅衬底LED垂直结构薄膜芯片的封装需采用陶瓷基板。而之前中国大陆大多数下游企业都是封装蓝宝石衬底的LED芯片，希望他们能跟上国际主流尽快开发出陶瓷基板的封装技术，把硅衬底LED的光斑好、电压低、散热良好、适合大电流驱动等优点发挥出来。

据介绍，大尺寸硅衬底LED有着更高的性价比，是目前国内外行业的研究热点。其成本上的优势体现在以下几个主要方面：一是大尺寸硅衬底的材料成本比同等大小的蓝宝石衬底的成本要低很多;二是可以采用IC厂折旧的自动化硅工艺线，设备折旧成本低，且工艺稳定性和产品良率将优于目前LED行业的大量人工作业;三是大尺寸硅衬底LED芯片的生产效率也将远高于目前基于2英寸的生产模式。

在孙钱看来，硅衬底材料的生产技术已非常成熟，大尺寸硅衬底LED的高性价比将给蓝宝石带来巨大压力。

当然，市场上也有不同的声音，例如新广联科技股份有限公司副总经理郭文平就表示，首先硅衬底的外延技术难题虽然逐步得到解决，然而良率仍然是一个很大的问题，需要较长的时间去解决;其次，由于硅衬底不透光，衬底必须去除，因此一片硅基LED外延片需要消耗两片衬底;再次，硅衬底相对于同尺寸的蓝宝石衬底有价格优势，但是相对于业界实际采用的中小尺寸的蓝宝石，考虑到两片的消耗，价格并没有太大的优势;最后还有一个更大的问题，硅衬底的优势建立在一个前提上：即必须拥有已经折旧完成的IC产线。

“所有这些条件综合起来，硅衬底LED的前途依然是非常渺茫的。不排除像东芝、台积电这类的IC厂商幸运地量产硅衬底LED，并且成本能够与蓝宝石衬底相当。倘若他们释放的产能较小，则对市场影响不大;若释放的产能很大，足以对市场产生影响，但其巨大的外延片产能从何而来?可以这样说，由2010~2012年LED上游投资狂潮带来的既有产能已经阻挡了硅衬底的大规模应用之路。”孙钱表示。

无论如何，蓝宝石衬底LED和硅衬底LED目前来看谁都不会把谁完全淘汰，未来应该是蓝宝石、硅和碳化硅等几种衬底在LED市场上共争共存的格局，根据各自定位，各有所为。

记者观察

应用创新谋求差异化发展

在强敌如林的LED产业环境下，我国LED芯片企业一直在谋变。除了技术创新外，市场应用创新也不容忽视，差异化发展路线已成为中国芯片企业立足之本。

记者发现，中国LED芯片领域中，一些骨干企业如三安光电已开始注重农业照明、医疗照明等有巨大潜力的细分市场，并致力于推动相关应用。目前，全球做此尝试的企业并不为多。

据了解，LED光源通过模拟植物生长所需的光源光谱，不仅能让植物每时每刻都能生长，同时对于稳固花期也有效果。除了能帮助植物生长、减少病虫害、控制环境温度，LED照明还可以控制植物开花的时间。但对植物进行人工照明时，不同植物需要不同的波长，而同一植物不同的生长时期，如发芽、开花、结果等，其需要的波长也不一样。中国一些LED芯片企业研发的全彩LED芯片可为植物生长照明提供全波段波长，并已开始量产应用。例如，三安正在与福建省农林厅、福建农学院紧密合作以推动LED照明的农业应用。

医疗领域也是企业市场应用创新的战略重点。据悉，中国近两年来LED检查灯、LED头灯在治疗室、急救室领域已得到快速推广，中国企业市场份额也在稳步提升。