高亮度LED芯片的市場格局及未來發(fā)展趨勢
[導(dǎo)讀]高亮度LED主要分為紅外光的GaAs體系和AlGaAs體系，紅、橙、黃、綠色的AlGaInP體系，綠色和藍(lán)色的InGaN體系，以及紫外光的GaN和AlGaN體系。目前InGaN體系的藍(lán)光光效已經(jīng)較高，再結(jié)合四元系的紅黃光，已經(jīng)開始廣泛地應(yīng)
高亮度LED主要分為紅外光的GaAs體系和AlGaAs體系，紅、橙、黃、綠色的AlGaInP體系，綠色和藍(lán)色的InGaN體系，以及紫外光的GaN和AlGaN體系。目前InGaN體系的藍(lán)光光效已經(jīng)較高，再結(jié)合四元系的紅黃光，已經(jīng)開始廣泛地應(yīng)用于照明、背光、顯示、交通指示燈等領(lǐng)域。紫外光LED有著廣闊的市場應(yīng)用前景，半導(dǎo)體紫外光源在照明、殺菌、醫(yī)療、印刷、生化檢測、高密度的信息儲(chǔ)存和保密通訊等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值。紅外光LED主要包括峰值波長從850nm到940nm的紅外LED，廣泛應(yīng)用于遙控器、驅(qū)動(dòng)器、電腦鼠標(biāo)、傳感器、安全設(shè)備和顯示器背光等領(lǐng)域，紅外LED需求持續(xù)增長的驅(qū)動(dòng)力主要來源于家用電器、安全系統(tǒng)和無線通訊產(chǎn)品等。
白光應(yīng)用是藍(lán)光LED芯片的重要市場，也是最為重要的發(fā)展方向，其采用藍(lán)光芯片加YAG黃色熒光粉從而形成白光光源。目前，國際LED大廠在大功率藍(lán)光芯片方面有著較為明顯的優(yōu)勢，而國內(nèi)LED芯片企業(yè)目前主要是在中小功率藍(lán)光芯片方面有較大的發(fā)展，但由于前幾年的過度投資引起了產(chǎn)能過剩，導(dǎo)致中小功率藍(lán)光芯片市場出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的“價(jià)格戰(zhàn)”。對于藍(lán)光LED芯片而言，主要的發(fā)展方向?yàn)?strong>硅基LED芯片、高壓LED芯片、倒裝LED芯片等。對于中小功率LED芯片市場而言，目前主流市場的趨勢為0.2-0.5W市場，封裝形式包括2835、5630以及COB封裝等。對于其它細(xì)分領(lǐng)域，如垂直結(jié)構(gòu)的芯片，封裝后可以應(yīng)用于指向性照明應(yīng)用，如手電、礦燈、閃光燈、射燈等燈具產(chǎn)品中。
硅襯底LED芯片漸受關(guān)注
目前市場上主流的藍(lán)光芯片一般都是在藍(lán)寶石襯底上生長，其中以日本日亞公司為代表;此外還有一種藍(lán)光芯片是在碳化硅襯底上生長，以美國科銳公司為代表。
近年來硅襯底上生長的藍(lán)光LED芯片越來越受到人們的關(guān)注。硅襯底由于可以采用IC廠的自動(dòng)生產(chǎn)線，比較容易采納目前IC工廠的6寸和8寸線的成熟工藝，再加上大尺寸硅襯底成本相對低廉，因而未來硅襯底LED芯片的成本預(yù)期會(huì)大幅度下降，也可促進(jìn)半導(dǎo)體照明的快速滲透。硅基LED芯片在特性有下列特點(diǎn)：
●垂直結(jié)構(gòu)，采用銀反射鏡鏡，可使電流分布更均勻，從而實(shí)現(xiàn)大電流驅(qū)動(dòng);
●硅襯底散熱性好，有利于芯片的散熱;
●具有朗伯發(fā)光形貌，出光均勻，容易進(jìn)行二次光學(xué);
●適于陶瓷基板封裝;
●適合于LED閃光燈和方向性較強(qiáng)的照明應(yīng)用，可應(yīng)用于室內(nèi)、室外和便攜式照明市場。
在硅基LED芯片的開發(fā)上，晶能光電在2009年就曾推出小功率硅基LED芯片，被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼顯示領(lǐng)域。2012年6月晶能光電在廣州發(fā)布了新一代大功率硅基LED芯片產(chǎn)品，引起了國內(nèi)外LED產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注，推出了包括28mil、35mil、45mil和55mil在內(nèi)的四款硅基大功率LED芯片，其中45mil芯片達(dá)到了120lm/w的光效，并在年底達(dá)到了130lm/w，且可靠性良好。硅基LED芯片陶瓷封裝后，與國際知名的產(chǎn)品相比，具有良好的性價(jià)比，引起了國內(nèi)外封裝廠和LED燈具廠的極大興趣。據(jù)報(bào)道夏普和普瑞也宣布于2012年底實(shí)現(xiàn)了硅襯底白光芯片的量產(chǎn)，推出了兩款白光芯片;另外，包括三星、歐司朗、晶電等大廠也正積極從事于硅基LED芯片的研究。
LED市場正處于高速發(fā)展的階段，LED芯片成本的進(jìn)一步下降將促進(jìn)半導(dǎo)體照明走入全家萬戶。由于硅襯底具有成本低、IC廠制造工藝成熟等特點(diǎn)，隨著6-12寸大尺寸硅基LED技術(shù)的不斷發(fā)展，硅基LED技術(shù)將在降低成本和提高生產(chǎn)效率方面具有巨大的優(yōu)勢，這對于LED產(chǎn)業(yè)會(huì)產(chǎn)生重大影響。
高亮度芯片面臨的發(fā)展瓶頸
當(dāng)前，半導(dǎo)體照明市場的進(jìn)一步發(fā)展要求藍(lán)光LED芯片的光效要不斷提升，成本要不斷下降。目前科銳基于碳化硅的LED芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了200lm/w光效產(chǎn)品的量產(chǎn)，研發(fā)水平光效可以達(dá)到276lm/w。在LED芯片成本下降和光效提升的這一競賽中，目前正遇到以下幾個(gè)發(fā)展瓶頸。
第一是藍(lán)光芯片存在的Droop效應(yīng)。在大電流密度條件下，發(fā)光二極管的外量子效率會(huì)下降，有試驗(yàn)表明Droop效應(yīng)是由包括俄歇效應(yīng)在內(nèi)的多種原因引起，這個(gè)效應(yīng)限制了藍(lán)光芯片在大電流密度下的使用，從而阻礙了流明成本的下降。
第二是綠色能隙(Greengap)和紅色能隙(Redgap)。當(dāng)波長從藍(lán)光進(jìn)入到綠光波段時(shí)，LED的量子效率會(huì)下降，如530nm的綠光量子效率下降很快;對于紅光而言，在深紅色光譜中內(nèi)部量子效率可以達(dá)到100%，但對理想白光光源中的橘紅色發(fā)光波長(如614nm)而言，其效率迅速下降。這些效應(yīng)限制了綠光和紅光芯片的光效提升，延緩了未來的高質(zhì)量白光的產(chǎn)生。另外，綠光及黃光LED效率也受到本身極化場的沖擊，而這個(gè)效應(yīng)會(huì)隨著更高的銦原子濃度而變得更強(qiáng)。
第三是外延的異質(zhì)生長問題。由于外延生長時(shí)晶體中存在缺陷，形成大的位錯(cuò)密度和缺陷，從而導(dǎo)致光效下降和壽命下降。目前藍(lán)光芯片無論是碳化硅、藍(lán)寶石、硅襯底技術(shù)都是異質(zhì)外延，在襯底和外延晶體之間存在晶格失配導(dǎo)致位錯(cuò)，同時(shí)由于熱膨脹系數(shù)的差別在外延生長后的降溫過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致外延層出現(xiàn)缺陷、裂紋、晶片彎曲等。襯底的質(zhì)量直接影響著外延層的晶體質(zhì)量，從而影響光效和壽命。如果采用GaN同質(zhì)襯底進(jìn)行外延生長，利用非極性技術(shù)，可最大限度地減少活性層的缺陷，使得LED芯片的電流密度比傳統(tǒng)芯片高5-10倍，大幅提高發(fā)光效率。據(jù)報(bào)道首爾半導(dǎo)體采用同質(zhì)襯底開發(fā)的nPola新產(chǎn)品，與目前的LED相比，在相同面積上的亮度高出了5倍，但GaN同質(zhì)襯底對于LED而言仍過于昂貴。
總體而言，在藍(lán)光LED芯片的未來發(fā)展上，倒裝芯片、高壓芯片、硅基芯片等都是未來的主要發(fā)展趨勢。倒裝芯片由于散熱好可以增大注入電流，不用打線可以提升產(chǎn)品在應(yīng)用過程中的可靠性;高壓LED芯片由于可以更加匹配供電電壓能夠提高電源轉(zhuǎn)換效率，再加上定制的IC電源，最適合于LED球泡燈;硅基LED芯片由于可以在6寸或者8寸的硅襯底上進(jìn)行外延生長，可以大幅度降低LED的成本，從而加速半導(dǎo)體照明應(yīng)用時(shí)代的來臨。對于其它顏色而言，紅光LED芯片和綠光LED芯片的光效都還有很大的提升空間，隨著紅光和綠光LED芯片光效進(jìn)一步的提升，未來白光不一定就是目前的藍(lán)光LED芯片加黃色熒光粉的形式，也可能是RGB或其它的形式，未來白光的封裝方式也可能會(huì)發(fā)生很大的變化。
白光應(yīng)用是藍(lán)光LED芯片的重要市場，也是最為重要的發(fā)展方向，其采用藍(lán)光芯片加YAG黃色熒光粉從而形成白光光源。目前，國際LED大廠在大功率藍(lán)光芯片方面有著較為明顯的優(yōu)勢，而國內(nèi)LED芯片企業(yè)目前主要是在中小功率藍(lán)光芯片方面有較大的發(fā)展，但由于前幾年的過度投資引起了產(chǎn)能過剩，導(dǎo)致中小功率藍(lán)光芯片市場出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的“價(jià)格戰(zhàn)”。對于藍(lán)光LED芯片而言，主要的發(fā)展方向?yàn)?strong>硅基LED芯片、高壓LED芯片、倒裝LED芯片等。對于中小功率LED芯片市場而言，目前主流市場的趨勢為0.2-0.5W市場，封裝形式包括2835、5630以及COB封裝等。對于其它細(xì)分領(lǐng)域，如垂直結(jié)構(gòu)的芯片，封裝后可以應(yīng)用于指向性照明應(yīng)用，如手電、礦燈、閃光燈、射燈等燈具產(chǎn)品中。
硅襯底LED芯片漸受關(guān)注
目前市場上主流的藍(lán)光芯片一般都是在藍(lán)寶石襯底上生長，其中以日本日亞公司為代表;此外還有一種藍(lán)光芯片是在碳化硅襯底上生長，以美國科銳公司為代表。
近年來硅襯底上生長的藍(lán)光LED芯片越來越受到人們的關(guān)注。硅襯底由于可以采用IC廠的自動(dòng)生產(chǎn)線，比較容易采納目前IC工廠的6寸和8寸線的成熟工藝，再加上大尺寸硅襯底成本相對低廉，因而未來硅襯底LED芯片的成本預(yù)期會(huì)大幅度下降，也可促進(jìn)半導(dǎo)體照明的快速滲透。硅基LED芯片在特性有下列特點(diǎn)：
●垂直結(jié)構(gòu)，采用銀反射鏡鏡，可使電流分布更均勻，從而實(shí)現(xiàn)大電流驅(qū)動(dòng);
●硅襯底散熱性好，有利于芯片的散熱;
●具有朗伯發(fā)光形貌，出光均勻，容易進(jìn)行二次光學(xué);
●適于陶瓷基板封裝;
●適合于LED閃光燈和方向性較強(qiáng)的照明應(yīng)用，可應(yīng)用于室內(nèi)、室外和便攜式照明市場。
在硅基LED芯片的開發(fā)上，晶能光電在2009年就曾推出小功率硅基LED芯片，被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼顯示領(lǐng)域。2012年6月晶能光電在廣州發(fā)布了新一代大功率硅基LED芯片產(chǎn)品，引起了國內(nèi)外LED產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注，推出了包括28mil、35mil、45mil和55mil在內(nèi)的四款硅基大功率LED芯片，其中45mil芯片達(dá)到了120lm/w的光效，并在年底達(dá)到了130lm/w，且可靠性良好。硅基LED芯片陶瓷封裝后，與國際知名的產(chǎn)品相比，具有良好的性價(jià)比，引起了國內(nèi)外封裝廠和LED燈具廠的極大興趣。據(jù)報(bào)道夏普和普瑞也宣布于2012年底實(shí)現(xiàn)了硅襯底白光芯片的量產(chǎn)，推出了兩款白光芯片;另外，包括三星、歐司朗、晶電等大廠也正積極從事于硅基LED芯片的研究。
LED市場正處于高速發(fā)展的階段，LED芯片成本的進(jìn)一步下降將促進(jìn)半導(dǎo)體照明走入全家萬戶。由于硅襯底具有成本低、IC廠制造工藝成熟等特點(diǎn)，隨著6-12寸大尺寸硅基LED技術(shù)的不斷發(fā)展，硅基LED技術(shù)將在降低成本和提高生產(chǎn)效率方面具有巨大的優(yōu)勢，這對于LED產(chǎn)業(yè)會(huì)產(chǎn)生重大影響。
高亮度芯片面臨的發(fā)展瓶頸
當(dāng)前，半導(dǎo)體照明市場的進(jìn)一步發(fā)展要求藍(lán)光LED芯片的光效要不斷提升，成本要不斷下降。目前科銳基于碳化硅的LED芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了200lm/w光效產(chǎn)品的量產(chǎn)，研發(fā)水平光效可以達(dá)到276lm/w。在LED芯片成本下降和光效提升的這一競賽中，目前正遇到以下幾個(gè)發(fā)展瓶頸。
第一是藍(lán)光芯片存在的Droop效應(yīng)。在大電流密度條件下，發(fā)光二極管的外量子效率會(huì)下降，有試驗(yàn)表明Droop效應(yīng)是由包括俄歇效應(yīng)在內(nèi)的多種原因引起，這個(gè)效應(yīng)限制了藍(lán)光芯片在大電流密度下的使用，從而阻礙了流明成本的下降。
第二是綠色能隙(Greengap)和紅色能隙(Redgap)。當(dāng)波長從藍(lán)光進(jìn)入到綠光波段時(shí)，LED的量子效率會(huì)下降，如530nm的綠光量子效率下降很快;對于紅光而言，在深紅色光譜中內(nèi)部量子效率可以達(dá)到100%，但對理想白光光源中的橘紅色發(fā)光波長(如614nm)而言，其效率迅速下降。這些效應(yīng)限制了綠光和紅光芯片的光效提升，延緩了未來的高質(zhì)量白光的產(chǎn)生。另外，綠光及黃光LED效率也受到本身極化場的沖擊，而這個(gè)效應(yīng)會(huì)隨著更高的銦原子濃度而變得更強(qiáng)。
第三是外延的異質(zhì)生長問題。由于外延生長時(shí)晶體中存在缺陷，形成大的位錯(cuò)密度和缺陷，從而導(dǎo)致光效下降和壽命下降。目前藍(lán)光芯片無論是碳化硅、藍(lán)寶石、硅襯底技術(shù)都是異質(zhì)外延，在襯底和外延晶體之間存在晶格失配導(dǎo)致位錯(cuò)，同時(shí)由于熱膨脹系數(shù)的差別在外延生長后的降溫過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致外延層出現(xiàn)缺陷、裂紋、晶片彎曲等。襯底的質(zhì)量直接影響著外延層的晶體質(zhì)量，從而影響光效和壽命。如果采用GaN同質(zhì)襯底進(jìn)行外延生長，利用非極性技術(shù)，可最大限度地減少活性層的缺陷，使得LED芯片的電流密度比傳統(tǒng)芯片高5-10倍，大幅提高發(fā)光效率。據(jù)報(bào)道首爾半導(dǎo)體采用同質(zhì)襯底開發(fā)的nPola新產(chǎn)品，與目前的LED相比，在相同面積上的亮度高出了5倍，但GaN同質(zhì)襯底對于LED而言仍過于昂貴。
總體而言，在藍(lán)光LED芯片的未來發(fā)展上，倒裝芯片、高壓芯片、硅基芯片等都是未來的主要發(fā)展趨勢。倒裝芯片由于散熱好可以增大注入電流，不用打線可以提升產(chǎn)品在應(yīng)用過程中的可靠性;高壓LED芯片由于可以更加匹配供電電壓能夠提高電源轉(zhuǎn)換效率，再加上定制的IC電源，最適合于LED球泡燈;硅基LED芯片由于可以在6寸或者8寸的硅襯底上進(jìn)行外延生長，可以大幅度降低LED的成本，從而加速半導(dǎo)體照明應(yīng)用時(shí)代的來臨。對于其它顏色而言，紅光LED芯片和綠光LED芯片的光效都還有很大的提升空間，隨著紅光和綠光LED芯片光效進(jìn)一步的提升，未來白光不一定就是目前的藍(lán)光LED芯片加黃色熒光粉的形式，也可能是RGB或其它的形式，未來白光的封裝方式也可能會(huì)發(fā)生很大的變化。
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