发展硅衬底LED技术形成自主创新品牌

来源:华强LED网 作者:—— 时间:2011-02-16 14:36

自主创新

科技部近日发文(国科发计(2011)5号),决定在全国范围内新组建29个国家工程技术研究中心,其中,国家硅基LED工程技术研究中心成为本次组建项目之一,依托单位为南昌大学。这是我国第一个国家级LED工程技术研究中心。组建国家工程中心的目的是着力提高新建中心工程化、产业化能力,提高开放服务能力,通过多种途径努力发挥新建中心对行业技术进步的推动作用,实现科技与经济的紧密结合。国家硅基LED工程技术研究中心的组建将有力地推动这一具有自主知识产权的技术实现真正意义上的大规模产业化。


  发光二极管(LED)是利用半导体中电子与空穴复合发光的一种电子元器件,是一种节能环保的冷光源。从20世纪60年代初第一只LED诞生以来,经过40多年的努力,已经实现了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七彩色LED的生产和应用。特别是1994年高亮度蓝光LED的诞生,拉开了半导体照明灯(白光LED)逐步替代现有的白炽灯、日光灯作通用照明光源的序幕,正在引发照明工业的革命,这是人类文明进步的标志之一。在这一领域,日美等国占尽先机,分别垄断了蓝宝石衬底和碳化硅衬底LED照明技术。


  我国近三个五年计划中多类科技与产业计划均安排了若干个课题跟踪这一高技术前沿。令人欣喜地看到,这一领域从跟踪走上了跨越,部分核心技术处于国际领先地位,具有原始创新性。南昌大学发光材料与器件教育部工程研究中心,在电子发展基金和“863”等计划的资助下,创造性发展了一条新的半导体照明技术路线-硅衬底LED照明技术路线,改变了日美等国垄断LED照明核心技术的局面。


  该课题组在半导体照明领域从事研究开发工作10余年,前7年跟踪,近3年跨越。他们发明了一种特殊过渡层和特定的硅表面加工技术,攻克了多项国际难题,在第一代半导体硅材料上,成功地制备了高质量的量子阱结构的第三代半导体GaN材料,研制成功垂直结构GaN蓝光LED,白光效率达到100流明/瓦,其发光效率、可靠性与器件寿命等各项技术指标在同类研究中处于国际领先地位,并在国际上率先实现了批量生产,成功地运用在路灯、球泡灯、射灯和手电筒等场合。在这一领域他们已获得和公开发明专利60多项。采用该技术生产的LED照明芯片成本显着低于蓝宝石衬底和碳化硅衬底LED芯片。该技术是LED学术界和产业界梦寐以求的一种新技术,对蓝光LED来说是一种颠覆性技术,属于改写LED历史的一种新技术。


  目前为止,用于半导体照明的LED芯片按外延衬底划分有三条技术路线,即蓝宝石衬底LED技术路线,碳化硅衬底LED技术路线,和硅衬底LED技术路线。这三条技术路线都处在大力研发和生产之中,前两条技术路线相对领先,第三条技术路线与前两条技术路线相比,水平差距在不断缩小,目前尚不清楚哪条技术路线将是终极半导体照明技术路线。但有一共同特点,性能最好的功率型LED器件,均走到“剥离衬底将外延膜转移到新的基板”制备垂直结构LED芯片技术路线上来。其主要原因是,这种剥离转移垂直结构LED工艺路线,为制备高反射率的反射镜和高出光效率的表面粗化技术提供了便利,同时因p-n结距散热性能良好的新衬底(基板)很近,非常有利于器件散热,从而有利于提高器件的使用寿命,也有利于加大器件工作电流密度。在这三条技术路线中,硅衬底技术路线只需要用简单的湿法化学腐蚀就可去掉衬底,属无损伤剥离,非常适合剥离转移,有利于降低生产成本。


  尽管硅衬底LED技术路线起步较晚,但该单位在短短几年内成功地开发出高性价比的功率型LED器件并与具有几十年底蕴的蓝宝石衬底LED和碳化硅衬底LED技术路线竞争市场,则表明硅衬底LED技术路线发展潜力巨大,为开辟具有中国特色的半导体照明技术路线奠定了重要基础。


  目前,国内外采用第三条技术路线进行LED照明芯片研发的单位越来越多,国际上一些LED大厂纷纷加入到这一行列中来。有些国际专家甚至断言,硅衬底LED技术路线就是未来半导体照明芯片生产的终极技术路线。由此新的技术路线引发的半导体照明核心技术的竞争正在全球掀起。尽管我国在此领域目前领先,但丝毫不能轻“敌”,还须快马加鞭,既要将现有的成熟产品扩大生产规模,还要加大研发力度,继续提升发光效率,开发性价比更优的高档芯片,保持企业良好的可持续发展态势,打造具有国际竞争力的民族品牌。


  发展硅衬底LED技术对我国LED照明技术和产业的发展起到至关重要的作用,将解决我国大规模生产LED照明芯片有关的知识产权方面的后顾之忧,同时也将解决LED照明芯片价格居高不下的问题。


  专家观点:


  功率型硅衬底LED芯片测试结果出色


  中国电子科技集团第十三研究所教授张万生


  我们国家的硅衬底LED的技术是由江西南昌大学材料所(江西晶能公司)通过自主创新发展起来的。去年,中国电子科技集团第十三研究所半导体照明研发中心和国家半导体质量监督检验中心对江西晶能公司送来的一批(100只)硅衬底1mm×1mm功率型芯片进行了测试,测试结果令人振奋,350mA下,峰值波长450nm,辐射功率在350mW以上,为国产功率芯片的最高水平。在壳温70℃、700mA电流加电老化168小时,其光衰在5%以内。这是我国功率LED技术发展的新曙光。在“十二五”期间,国家应该继续对硅衬底技术给以更大的支持,使之更加完善,形成具有一定规模的批量生产能力。


  硅衬底LED照明技术后续发展潜力大


  南昌大学教授江风益


  按照材料制备所用的衬底划分,目前已实现产业化的有三种半导体照明技术路线,即蓝宝石衬底半导体照明、碳化硅衬底半导体照明、和硅衬底半导体照明技术路线。其中前两条技术路线的核心专利主要掌握在日美欧几大巨头手中,几大巨头之外LED企业正在艰难地进行技术创新工作,期望能在二次创新过程中有所收获。同时,世界各地的研究人员正在进行其他技术路径的尝试。其中最引人注目的就是硅衬底半导体照明技术。硅衬底半导体照明技术具有其他衬底无法比拟的两大优势:第一,硅材料比碳化硅和蓝宝石要便宜很多,而且容易得到大尺寸的衬底,这将显着降低外延材料的生长成本;第二,硅衬底半导体照明外延材料,非常适合走剥离衬底薄膜转移技术路线,为开发高效率高可靠性半导体照明芯片具有得天独厚的优势。


  南昌大学从事LED研究开发10多年,从蓝宝石衬底LED技术的跟踪走上了硅衬底LED技术的创新与跨越,突破了数十项关键技术,研发成功了硅衬底LED材料与芯片,已获得、公开和申请发明专利100余项,其中已授权14项国家发明专利,已授权6项美国发明专利。


  目前该技术已推出6类产品,已有160多家应用客户,已销售20多亿粒(多数为小芯片)硅衬底LED芯片产品,已在彩屏、数码管、景观照明和路灯、射灯、洗墙灯、灯泡等方面应用,其中1mm*1mm功率芯片封成白光后大于90lm/W.


  目前国际上许多单位或研究组加大了硅衬底半导体照明技术的研发步伐,不少国际知名半导体照明企业在这方面进行重点攻关,但到目前为止仍集中在基础研究阶段,虽有几家单位报道取得了一定进展,但离规模化生产还有较大距离。


  通过近6年由我国发展出来的硅衬底半导体照明技术,如今已经达到了具有20多年发展历程的蓝宝石衬底和碳化硅衬底半导体照明产品的中上水平。这充分表明硅衬底半导体照明技术的后续发展潜力。


  为此建议,希望国家毫不犹豫地加大资助力度,上中下游通力合作,加快发展硅衬底半导体照明技术,实现大规模产业化,闯出一条区别于发达国家的具有鲜明国际特色的硅衬底半导体照明技术发展之路,形成我国自成体系的具有国际竞争力的半导体照明产业,为我国节能减排作贡献。


  整体布局快速推进硅衬底LED技术产业化


  苏州纳晶光电有限公司董事长梁秉文


  要重视硅衬底上GaNLED的技术路线并加大投入将其产业化的工作做好。目前,在这方面工作做得最好的是江西的南昌大学和相关的晶能公司,他们在这方面扎扎实实做了大量的研发工作并申请和获得了100多项的相关专利,形成了专利的网络布局。形成了具有中国优势除了蓝宝石和碳化硅衬底以外的第三条技术路线,并与其他两条技术路线相比更具潜力和优势,这是难能可贵的。目前从产品性能指标上看已经与蓝宝石、碳化硅衬底的在同一个数量级上。这说明硅衬底上GaNLED的技术路线是可行的。与其他的衬底相比,硅衬底上GaNLED有很多种实现了的和潜在的优势,包括散热、成本、衬底的剥离,与硅电路的集成,以及以硅材料作为封装支架等。这样一个好的技术路线和方向,不是可以靠一家、二家公司和学校可以很容易地形成产业化。政府有关部门应该组织一组(群)公司与大学、研究所一起来制定出相关产品与技术发展路线图,并快速推动其技术的成熟和产业化。可以考虑在上中下游的整体布局,比如外延、芯片公司有3-4家,封装多家和相应的应用厂家紧密配合。重点在于解决上下游的技术、工艺难题,以及检测、质量控制和相关的设备、原辅材料的配套等问题。并快速进行6英寸及以上衬底的技术和产品开发,使其尽快显示出其应有的优势。


  正视硅衬底LED技术问题推进产业化


  福建省光电行业协会秘书长彭万华


  硅衬底生长GaN是多种衬底中的一种,是一种技术路线,目前用于产业化的衬底有蓝宝石、碳化硅和硅。将来很有前途的衬底可能是半极性和极性的衬底。


  从目前在硅衬底上生长的GaN发光二极管与其他几种衬底生长的二极管相比,在性能上还是有差距的,主要是发光效率和可靠性有待进一步提高和验证。另外,有关硅衬底产业化生产过程中,成品率、产品的一致性和均匀性等关键问题,也希望能进一步了解分析后,再推进发展。


  硅衬底LED技术使我国在国际半导体照明界争得话语权


  国家半导体照明研发与产业联盟产业执行主席范玉钵


  硅衬底LED技术是半导体照明产业上游具有自主知识产权的一项技术,我国要在国际半导体照明界争取话语权没有拥有自己独特技术是不可想象的,尽管硅衬底LED技术仍还有许多难题要攻克,但是相信只要能够整合半导体芯片技术的精英,通过不懈的努力,一定能够实现突破性的进展。


  GaN技术应格外引起重视


  佛山国星光电董事长王垚浩


  商业化的GaN基LED衬底主要为蓝宝石、SiC(碳化硅)和硅。日本日亚公司垄断了蓝宝石衬底上GaN基LED专利技术,美国科锐公司垄断了SiC衬底上GaN基LED专利技术,而硅衬底上GaN基LED专利技术为我国拥有,是实现LED产业突破国际专利封锁的重要技术路线。当然作为产业化主流的GaN技术仍然需要重视,毕竟目前的市场竞争仍然是GaN衬底芯片的竞争,不重视它也是就是放弃了市场竞争。

 

 

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