東芝的實(shí)用化突飛猛進(jìn)，有望實(shí)現(xiàn)“發(fā)光的線”
[導(dǎo)讀]東芝的實(shí)用化突飛猛進(jìn)最近情況有了變化。因?yàn)槊绹杖鸸怆姽鹃_發(fā)出了能減輕GaN晶體與Si基板的不匹配問題的技術(shù)，東芝采用該技術(shù)快速推進(jìn)了GaNonSi技術(shù)的實(shí)用化。東芝與普瑞光電于2011年展開合作。2012年12月開始以
東芝的實(shí)用化突飛猛進(jìn)
最近情況有了變化。因?yàn)槊绹杖?strong>光電公司開發(fā)出了能減輕GaN晶體與Si基板的不匹配問題的技術(shù)，東芝采用該技術(shù)快速推進(jìn)了GaNonSi技術(shù)的實(shí)用化。
東芝與普瑞光電于2011年展開合作。2012年12月開始以月產(chǎn)1000萬個的規(guī)模共同量產(chǎn)采用8英寸（200mm）硅晶圓的白色LED封裝。利用石川縣加賀東芝電子公司的IGBT等Si制功率半導(dǎo)體的部分生產(chǎn)線來生產(chǎn)GaNonSi。
2013年4月，東芝收購了普瑞光電的LED開發(fā)部門。2014年3月發(fā)布了第二款產(chǎn)品。還計(jì)劃2015年4月之前推出第三款～第五款產(chǎn)品。東芝分立半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部業(yè)務(wù)部長助理福岡和雄介紹說，“我們在LED芯片的開發(fā)方面起步較晚。出戰(zhàn)市場需要武器，我們的武器就是GaNonSi”。
普瑞光電開發(fā)的減輕Si基板與GaN晶體間不匹配問題的緩沖層技術(shù)非常優(yōu)秀注1）。福岡表示，“也考慮過自主開發(fā)，不過本著花錢買時間的原則，最終收購了普瑞光電”。
注1）某白色LED技術(shù)人員對此表示懷疑，稱“如果普瑞光電的技術(shù)真那么優(yōu)秀，會賣給其他公司嗎”。不過，普瑞光電將LED的量產(chǎn)全部委托給了東芝，利用東芝制造的LED開展業(yè)務(wù)。
東芝還在快速提高LED的發(fā)光效率等性能。2012年12月推出的首款產(chǎn)品，發(fā)光效率在施加350mA電流時為112lm/W，而2014年3月提高到了135lm/W。另外，還計(jì)劃使2014年10月推出的第四款產(chǎn)品達(dá)到170lm/W，使2015年4月推出的產(chǎn)品達(dá)到190lm/W。如果能實(shí)現(xiàn)，那么只用一年半就實(shí)現(xiàn)了以往的白色LED技術(shù)用5年多時間提高的性能。
考慮利用300mm晶圓
福岡介紹說，“Si基板上的GaN缺陷密度高達(dá)5～8×108個/cm2，是采用普通藍(lán)寶石基板時的約2倍。不過，通過研究開發(fā)，削減到了與藍(lán)寶石基板差不多的3×108個/cm2。在不久的將來，性能將追上藍(lán)寶石基板。成品率也比較高”。順便一提，在東芝等的技術(shù)中，吸收光的Si基板會在中途去除，因此不會出現(xiàn)問題。
此外，東芝還打算在不久的將來使用12英寸（300mm）晶圓。福岡表示，“針對功率半導(dǎo)體的GaNonSi技術(shù)也在開發(fā)之中，有望與該技術(shù)一起利用300mm晶圓制造?？赡軙盟娜帐械墓S”。
微細(xì)加工存在制約
不過還有課題。東芝等的技術(shù)采用的Si基板是半導(dǎo)體不常用的（111）晶體面的Si。福岡說，這是“為了提高與GaN的匹配性”。但這樣的話，利用現(xiàn)有半導(dǎo)體制造裝置對Si基板面進(jìn)行微細(xì)加工等的工序就無法使用了。比如，在藍(lán)寶石基板的表面形成凹凸以提高LED光提取效率的“PSS（PatternedSapphireSubstrate）”技術(shù)就難以用于Si基板。
在GaNonSi技術(shù)的研究中，還有人在開發(fā)能消除這種制約，從而全面發(fā)揮利用現(xiàn)有半導(dǎo)體制造裝置的優(yōu)勢的方法。名古屋大學(xué)天野研究室開發(fā)出了在普通半導(dǎo)體技術(shù)采用的Si（001）面上生長GaN晶體的技術(shù)。重點(diǎn)是在Si與AlN之間夾住某金屬層。而且，由于金屬層會反射GaN的光，因此也不用去除Si。另外還有一些其他優(yōu)點(diǎn)，比如“與金屬層摻雜的Si基板能直接作為電極使用”（天野）。
天野研究室正以該金屬層技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)在硅晶圓上實(shí)施微細(xì)凹凸加工，然后在上面形成GaN半導(dǎo)體層的GaN納米線技術(shù)（圖8（d））。目標(biāo)是2020年之前在300mm硅晶圓上實(shí)現(xiàn)（圖9）。
可實(shí)現(xiàn)“發(fā)光的線”
目前，在GaNonSi技術(shù)注2）上，除東芝外，還有很多其他企業(yè)紛紛參戰(zhàn)。但東芝已經(jīng)超越了單純的LED芯片制造，又出了新招。該公司開發(fā)的CSP（ChipScalePackage）技術(shù)已于2014年3月實(shí)用化，該技術(shù)是在晶圓上封裝利用GaNonSi技術(shù)制作的LED芯片（圖10）。
圖10：封裝也采用Si技術(shù)
東芝CSP技術(shù)的制造流程概要（a）以及與以往封裝的不同（b）。即使采用相同尺寸的LED芯片，封裝的面積也只有1/10。
注2）搶在東芝之前全球率先量產(chǎn)采用GaNonSi技術(shù)的LED芯片的中國晶能光電、繼東芝之后于2013年3月開始生產(chǎn)8英寸晶圓的法國Aledia、德國歐司朗光電半導(dǎo)體、NTT、荷蘭飛利浦流明等。韓國三星電子也開發(fā)出了采用8英寸硅晶圓的技術(shù)。堅(jiān)持進(jìn)行研究開發(fā)的日本企業(yè)就更多了。
以往的采用藍(lán)寶石基板的LED也開發(fā)出了CSP技術(shù)，但據(jù)稱東芝的LED使用Si基板，CSP工序也可沿用現(xiàn)有半導(dǎo)體制造技術(shù)，制造更容易。例如，在基板的去除工序中，藍(lán)寶石基板需要使用激光，而Si基板只需蝕刻即可。
目前，LED封裝的制造成本的約60％都由封裝工序所占據(jù)。利用東芝的CSP技術(shù)有望大幅降低這一成本。
尤其是，東芝將CSP技術(shù)定位為LED的新附加值，而非單純的成本削減技術(shù)。雖然與以往的封裝采用相同的LED芯片，但封裝面積只有0.65mm見方，還不到原來的1/10。因此，不用提高電流密度就能在維持發(fā)光效率的情況下將亮度較大幅提高。
東芝設(shè)想將其用于發(fā)揮其超小型、超薄型特點(diǎn)的薄型智能手機(jī)和超小型照明器具等。另外，“還考慮在金屬線上安裝該LED，形成線光源”（福岡）。（
最近情況有了變化。因?yàn)槊绹杖?strong>光電公司開發(fā)出了能減輕GaN晶體與Si基板的不匹配問題的技術(shù)，東芝采用該技術(shù)快速推進(jìn)了GaNonSi技術(shù)的實(shí)用化。
東芝與普瑞光電于2011年展開合作。2012年12月開始以月產(chǎn)1000萬個的規(guī)模共同量產(chǎn)采用8英寸（200mm）硅晶圓的白色LED封裝。利用石川縣加賀東芝電子公司的IGBT等Si制功率半導(dǎo)體的部分生產(chǎn)線來生產(chǎn)GaNonSi。
2013年4月，東芝收購了普瑞光電的LED開發(fā)部門。2014年3月發(fā)布了第二款產(chǎn)品。還計(jì)劃2015年4月之前推出第三款～第五款產(chǎn)品。東芝分立半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部業(yè)務(wù)部長助理福岡和雄介紹說，“我們在LED芯片的開發(fā)方面起步較晚。出戰(zhàn)市場需要武器，我們的武器就是GaNonSi”。
普瑞光電開發(fā)的減輕Si基板與GaN晶體間不匹配問題的緩沖層技術(shù)非常優(yōu)秀注1）。福岡表示，“也考慮過自主開發(fā)，不過本著花錢買時間的原則，最終收購了普瑞光電”。
注1）某白色LED技術(shù)人員對此表示懷疑，稱“如果普瑞光電的技術(shù)真那么優(yōu)秀，會賣給其他公司嗎”。不過，普瑞光電將LED的量產(chǎn)全部委托給了東芝，利用東芝制造的LED開展業(yè)務(wù)。
東芝還在快速提高LED的發(fā)光效率等性能。2012年12月推出的首款產(chǎn)品，發(fā)光效率在施加350mA電流時為112lm/W，而2014年3月提高到了135lm/W。另外，還計(jì)劃使2014年10月推出的第四款產(chǎn)品達(dá)到170lm/W，使2015年4月推出的產(chǎn)品達(dá)到190lm/W。如果能實(shí)現(xiàn)，那么只用一年半就實(shí)現(xiàn)了以往的白色LED技術(shù)用5年多時間提高的性能。
考慮利用300mm晶圓
福岡介紹說，“Si基板上的GaN缺陷密度高達(dá)5～8×108個/cm2，是采用普通藍(lán)寶石基板時的約2倍。不過，通過研究開發(fā)，削減到了與藍(lán)寶石基板差不多的3×108個/cm2。在不久的將來，性能將追上藍(lán)寶石基板。成品率也比較高”。順便一提，在東芝等的技術(shù)中，吸收光的Si基板會在中途去除，因此不會出現(xiàn)問題。
此外，東芝還打算在不久的將來使用12英寸（300mm）晶圓。福岡表示，“針對功率半導(dǎo)體的GaNonSi技術(shù)也在開發(fā)之中，有望與該技術(shù)一起利用300mm晶圓制造?？赡軙盟娜帐械墓S”。
微細(xì)加工存在制約
不過還有課題。東芝等的技術(shù)采用的Si基板是半導(dǎo)體不常用的（111）晶體面的Si。福岡說，這是“為了提高與GaN的匹配性”。但這樣的話，利用現(xiàn)有半導(dǎo)體制造裝置對Si基板面進(jìn)行微細(xì)加工等的工序就無法使用了。比如，在藍(lán)寶石基板的表面形成凹凸以提高LED光提取效率的“PSS（PatternedSapphireSubstrate）”技術(shù)就難以用于Si基板。
在GaNonSi技術(shù)的研究中，還有人在開發(fā)能消除這種制約，從而全面發(fā)揮利用現(xiàn)有半導(dǎo)體制造裝置的優(yōu)勢的方法。名古屋大學(xué)天野研究室開發(fā)出了在普通半導(dǎo)體技術(shù)采用的Si（001）面上生長GaN晶體的技術(shù)。重點(diǎn)是在Si與AlN之間夾住某金屬層。而且，由于金屬層會反射GaN的光，因此也不用去除Si。另外還有一些其他優(yōu)點(diǎn)，比如“與金屬層摻雜的Si基板能直接作為電極使用”（天野）。
天野研究室正以該金屬層技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)在硅晶圓上實(shí)施微細(xì)凹凸加工，然后在上面形成GaN半導(dǎo)體層的GaN納米線技術(shù)（圖8（d））。目標(biāo)是2020年之前在300mm硅晶圓上實(shí)現(xiàn)（圖9）。
可實(shí)現(xiàn)“發(fā)光的線”
目前，在GaNonSi技術(shù)注2）上，除東芝外，還有很多其他企業(yè)紛紛參戰(zhàn)。但東芝已經(jīng)超越了單純的LED芯片制造，又出了新招。該公司開發(fā)的CSP（ChipScalePackage）技術(shù)已于2014年3月實(shí)用化，該技術(shù)是在晶圓上封裝利用GaNonSi技術(shù)制作的LED芯片（圖10）。
圖10：封裝也采用Si技術(shù)
東芝CSP技術(shù)的制造流程概要（a）以及與以往封裝的不同（b）。即使采用相同尺寸的LED芯片，封裝的面積也只有1/10。
注2）搶在東芝之前全球率先量產(chǎn)采用GaNonSi技術(shù)的LED芯片的中國晶能光電、繼東芝之后于2013年3月開始生產(chǎn)8英寸晶圓的法國Aledia、德國歐司朗光電半導(dǎo)體、NTT、荷蘭飛利浦流明等。韓國三星電子也開發(fā)出了采用8英寸硅晶圓的技術(shù)。堅(jiān)持進(jìn)行研究開發(fā)的日本企業(yè)就更多了。
以往的采用藍(lán)寶石基板的LED也開發(fā)出了CSP技術(shù)，但據(jù)稱東芝的LED使用Si基板，CSP工序也可沿用現(xiàn)有半導(dǎo)體制造技術(shù)，制造更容易。例如，在基板的去除工序中，藍(lán)寶石基板需要使用激光，而Si基板只需蝕刻即可。
目前，LED封裝的制造成本的約60％都由封裝工序所占據(jù)。利用東芝的CSP技術(shù)有望大幅降低這一成本。
尤其是，東芝將CSP技術(shù)定位為LED的新附加值，而非單純的成本削減技術(shù)。雖然與以往的封裝采用相同的LED芯片，但封裝面積只有0.65mm見方，還不到原來的1/10。因此，不用提高電流密度就能在維持發(fā)光效率的情況下將亮度較大幅提高。
東芝設(shè)想將其用于發(fā)揮其超小型、超薄型特點(diǎn)的薄型智能手機(jī)和超小型照明器具等。另外，“還考慮在金屬線上安裝該LED，形成線光源”（福岡）。（
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