功率型ＬＥＤ芯片產(chǎn)業(yè)格局

１、前言　

功率型ＬＥＤ芯片的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)包括以下四個重要環(huán)節(jié)：
（1）通過加大工作電流提高芯片的整體功率；
（2）采用新型的封裝結(jié)構(gòu)提高光電功率轉(zhuǎn)換效率；
（3）設(shè)計新的芯片結(jié)構(gòu)以提高取光效率；
（4）采用導(dǎo) 熱和光學(xué)性能優(yōu)良的材料，在大電流下降低芯片結(jié)溫。

四個環(huán)節(jié)相輔相成，共同推動功率型ＬＥＤ的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，構(gòu)成半導(dǎo)體照明的核心力量。　

２、基礎(chǔ)原理

半導(dǎo)體ＬＥＤ若要作為照明光源，與常規(guī)產(chǎn)品白熾燈和熒光燈等通用性光源的光通量相比，差距較大。因此，ＬＥＤ要在照明領(lǐng)域發(fā)展，關(guān)鍵是要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。

照明用Ｗ級功率型ＬＥＤ要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)從以下技術(shù)層面進行整體創(chuàng)新突破，從而全面提高功率型ＬＥＤ產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量。目前國內(nèi)從事功率型ＬＥＤ研發(fā)生產(chǎn)的廠家多關(guān)注于個別技術(shù)點，尤其是封裝技術(shù)。

現(xiàn)在需要倡導(dǎo)的的創(chuàng)新理念是一定要整體創(chuàng)新、全面突破，因為功率型ＬＥＤ芯片產(chǎn)業(yè)化的四個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)是相互制約同時又能相互促進的，只有全面提升才能拓寬產(chǎn)業(yè)化道路。

３、大功率ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)簡史

功率型ＬＥＤ器件的研發(fā)起始于上世紀(jì)90年代中后期，超高亮度ＩｎＧａＡＩＰ紅黃光與ＩｎＧａＮ藍(lán)綠光器件的研制成功與迅猛發(fā)展，為功率型器件的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。首先是美國的ＨＰ公司通過將ＧａＰ晶片直接鍵合于ＩｎＧａＡＩＰ紅黃光ＬＥＤ芯片，制成透明襯底（ＴＳ）的“食人魚”型大功率器件，其正向工作電流達７０ｍＡ，耗散功率大于１５０ｍW，最高量子效率超過５０％，波長６１１ｎｍ的ＬＥＤ器件的流明效率可達１０２ｌｍ/W。

3.1、國際先行者

本世紀(jì)初，ＨＰ公司推出了ＴＳ倒梯形結(jié)構(gòu)的功率型大面積芯片，工作電流可進一步增大至５００ｍＡ，發(fā)光通量大于６０ｌｍ。以脈沖方式工作時，則可達１４０ｌｍ。

德國Ｏｓｒａｍ公司通過在器件表面制作紋理結(jié)構(gòu)，于２００１年研制出新一代功率型ＬＥＤ芯片，獲得了大于５０％的外量子效率，其基本性能與ＴＳ結(jié)構(gòu)的ＬＥＤ相當(dāng)。目前，該器件的制作工藝已大為簡化，可批量生產(chǎn)。

3.2、國際先進行列

對于ＧａＮ基藍(lán)綠光器件，美國Ｌｕｍｉｌｅｄｓ公司于２００１成功研制了倒裝芯片結(jié)構(gòu)的ＡＩＧａＩｎＮ的功率型器件。當(dāng)該器件的正向電流為１Ａ，正向電壓為３．３Ｖ時，光輸出功率達４００ｍW。據(jù)可靠性試驗表明，該器件性能極為穩(wěn)定。

同時，美國Ｃｒｅｅ公司開發(fā)了背面出光功率型的ＡＩＧａｌｎＮ/ＳｉＣ?。蹋牛男酒Y(jié)構(gòu)，該器件的芯片尺寸達０．９ｍｍ×０．９ｍｍ，采用米字型電極，其工作電流為４００ｍＡ?xí)r，輸出光功率達到２５０ｍW。

3.3、國內(nèi)情況

我國臺灣省是世界上開發(fā)生產(chǎn)各類ＬＥＤ器件的主要地區(qū)之一。繼國聯(lián)光電研制成ＧＢ大功率ＩｎＧａ-ＡＩＰＬＥＤ之后，光鼎電子也成功開發(fā)了白光與各種色光的功率型ＬＥＤ器件，并投入了批量生產(chǎn)。這類器件在不附加額外熱時，可通過１５０ｍＡ的工作電流，紅、黃、藍(lán)綠光的光通量分別為４～６ｌｍ與２～４ｌｍ。

我國大陸較晚開展超高亮度紅、黃與藍(lán)綠光器件的研制工作，目前上海大晨光電的功率型器件開發(fā)工作也達到了一定的水平?！?/P>

3.4、國內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

到２００４年全國已有ＬＥＤ各類企業(yè)約３５００余家，從業(yè)人員５０余萬人，ＬＥＤ器件產(chǎn)量超過４００億只/年，年市場規(guī)模大于３００億人民幣。目前市場主要集中在珠江三角區(qū)域及長江三角區(qū)域等制造業(yè)發(fā)達的地區(qū)，市場份額占到全國各類ＬＥＤ應(yīng)用市場的９５％以上。

全國ＬＥＤ企業(yè)９９％的廠家都從事后道封裝生產(chǎn)，所需芯片幾乎全部從國外進口。“九五”以來通過技術(shù)改造、技術(shù)攻關(guān)、引進國外先進設(shè)備和部分關(guān)鍵技術(shù)，使得我國ＬＥＤ的生產(chǎn)技術(shù)向前跨進了一步。ＧａＡｓ和ＧａＰ單晶、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ液相外延、ＬＥＤ芯片制造已達到小批量生產(chǎn)能力。

近年來，我國ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)平均增長率大于３０％。１９９８年實現(xiàn)銷售收入２２．４４億元，產(chǎn)量約為６５億只，產(chǎn)值達３５億元，初步形成了產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

在眾多生產(chǎn)商中，后道封裝廠主要有佛山光電、廈門華聯(lián)、蘇州半導(dǎo)體廠、深圳奧倫德電子等２０余家，但中小型封裝廠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，深圳奧倫德、南昌欣磊、廈門三安是目前僅有的能夠批量供應(yīng)芯片的廠商，每月累計產(chǎn)量僅達１０００ＫＫ只，供不應(yīng)求。

3.5、國家半導(dǎo)體照明工程

２００３年６月１７日，“國家半導(dǎo)體照明工程”協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組召開了第一次電視電話會議，“國家半導(dǎo)體照明工程”正式啟動。

２００４年３月２２日，協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組與中國照明電器協(xié)會聯(lián)合主辦了“２００４年中國國際半導(dǎo)體照明論壇”。批準(zhǔn)建立上海、廈門、大連、南昌四個半導(dǎo)體照明基地。

２００５年４月，深圳成為第５個國家半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)基地。２００４年深圳ＬＥＤ產(chǎn)值已超過５０億元，有些企業(yè)的產(chǎn)值高達１０億元，分布在上、中、下游產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)有３００多家。

國家計委、科技部發(fā)布的“國家優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點領(lǐng)域指南”中指出，功率型ＬＥＤ是光電器件，是新型電子顯示器件，是國家優(yōu)先支持的重點產(chǎn)業(yè)。ＩｎＧａＡｌＡｓ四元素紅、綠、黃色超高亮度外延片是超高亮度ＬＥＤ的關(guān)鍵材料，是國家重點支持的產(chǎn)業(yè)。

4、功率型ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)路線

功率型led產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)如下表示。

４．１　金屬有機化合物汽相淀積（ＭＯＣＶＤ）　

采用金屬有機化合物汽相淀積的外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)增大芯片面積，從而加大芯片的工作電流，提高芯片的整體功率。從目前單芯片１Ｗ、３Ｗ和５Ｗ的大功率ＬＥＤ向功率高至１０Ｗ，具有更高發(fā)光效率、經(jīng)濟實用的固態(tài)ＬＥＤ照明光源邁進。

4.2、晶片鍵合（Wａｆｅｒ　Bｏｎｄｉｎｇ）　

采用新型封裝結(jié)構(gòu)的主要目標(biāo)是提高光電功率轉(zhuǎn)換效率。目前采用晶片鍵合以透明的ＡｌＧａＩｎＰ襯底（ＴＳ）取代吸光的ＧａＡｓ襯底（ＡＳ）的倒梯形結(jié)構(gòu)的功率型大面積芯片，工作電流可達５００ｍＡ，光通量大于６０ｌｍ，以脈沖方式工作時，則可達１４０ｌｍ。

采用ＩｎＧａＡｌＰ（ＡＳ）紋理表面結(jié)構(gòu)的新一代功率型ＬＥＤ芯片，可以獲得大于５０％的外量子效率，其基本性能與ＴＳ結(jié)構(gòu)的ＬＥＤ相當(dāng)，不僅可取代常