功率型ＬＥＤ芯片产业格局

１、前言　

功率型ＬＥＤ芯片的产业化关键技术包括以下四个重要环节：
（1）通过加大工作电流提高芯片的整体功率；
（2）采用新型的封装结构提高光电功率转换效率；
（3）设计新的芯片结构以提高取光效率；
（4）采用导 热和光学性能优良的材料，在大电流下降低芯片结温。

四个环节相辅相成，共同推动功率型ＬＥＤ的大规模产业化，构成半导体照明的核心力量。　

２、基础原理

半导体ＬＥＤ若要作为照明光源，与常规产品白炽灯和荧光灯等通用性光源的光通量相比，差距较大。因此，ＬＥＤ要在照明领域发展，关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。

照明用Ｗ级功率型ＬＥＤ要实现产业化，应从以下技术层面进行整体创新突破，从而全面提高功率型ＬＥＤ产品的生产质量和产量。目前国内从事功率型ＬＥＤ研发生产的厂家多关注于个别技术点，尤其是封装技术。

现在需要倡导的的创新理念是一定要整体创新、全面突破，因为功率型ＬＥＤ芯片产业化的四个关键技术环节是相互制约同时又能相互促进的，只有全面提升才能拓宽产业化道路。

３、大功率ＬＥＤ产业简史

功率型ＬＥＤ器件的研发起始于上世纪90年代中后期，超高亮度ＩｎＧａＡＩＰ红黄光与ＩｎＧａＮ蓝绿光器件的研制成功与迅猛发展，为功率型器件的开发奠定了基础。首先是美国的ＨＰ公司通过将ＧａＰ晶片直接键合于ＩｎＧａＡＩＰ红黄光ＬＥＤ芯片，制成透明衬底（ＴＳ）的“食人鱼”型大功率器件，其正向工作电流达７０ｍＡ，耗散功率大于１５０ｍW，最高量子效率超过５０％，波长６１１ｎｍ的ＬＥＤ器件的流明效率可达１０２ｌｍ/W。

3.1、国际先行者

本世纪初，ＨＰ公司推出了ＴＳ倒梯形结构的功率型大面积芯片，工作电流可进一步增大至５００ｍＡ，发光通量大于６０ｌｍ。以脉冲方式工作时，则可达１４０ｌｍ。

德国Ｏｓｒａｍ公司通过在器件表面制作纹理结构，于２００１年研制出新一代功率型ＬＥＤ芯片，获得了大于５０％的外量子效率，其基本性能与ＴＳ结构的ＬＥＤ相当。目前，该器件的制作工艺已大为简化，可批量生产。

3.2、国际先进行列

对于ＧａＮ基蓝绿光器件，美国Ｌｕｍｉｌｅｄｓ公司于２００１成功研制了倒装芯片结构的ＡＩＧａＩｎＮ的功率型器件。当该器件的正向电流为１Ａ，正向电压为３．３Ｖ时，光输出功率达４００ｍW。据可靠性试验表明，该器件性能极为稳定。

同时，美国Ｃｒｅｅ公司开发了背面出光功率型的ＡＩＧａｌｎＮ/ＳｉＣ　ＬＥＤ芯片结构，该器件的芯片尺寸达０．９ｍｍ×０．９ｍｍ，采用米字型电极，其工作电流为４００ｍＡ时，输出光功率达到２５０ｍW。

3.3、国内情况

我国台湾省是世界上开发生产各类ＬＥＤ器件的主要地区之一。继国联光电研制成ＧＢ大功率ＩｎＧａ-ＡＩＰＬＥＤ之后，光鼎电子也成功开发了白光与各种色光的功率型ＬＥＤ器件，并投入了批量生产。这类器件在不附加额外热时，可通过１５０ｍＡ的工作电流，红、黄、蓝绿光的光通量分别为４～６ｌｍ与２～４ｌｍ。

我国大陆较晚开展超高亮度红、黄与蓝绿光器件的研制工作，目前上海大晨光电的功率型器件开发工作也达到了一定的水平。　

3.4、国内产业现状

到２００４年全国已有ＬＥＤ各类企业约３５００余家，从业人员５０余万人，ＬＥＤ器件产量超过４００亿只/年，年市场规模大于３００亿人民币。目前市场主要集中在珠江三角区域及长江三角区域等制造业发达的地区，市场份额占到全国各类ＬＥＤ应用市场的９５％以上。

全国ＬＥＤ企业９９％的厂家都从事后道封装生产，所需芯片几乎全部从国外进口。“九五”以来通过技术改造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技术，使得我国ＬＥＤ的生产技术向前跨进了一步。ＧａＡｓ和ＧａＰ单晶、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ液相外延、ＬＥＤ芯片制造已达到小批量生产能力。

近年来，我国ＬＥＤ产业平均增长率大于３０％。１９９８年实现销售收入２２．４４亿元，产量约为６５亿只，产值达３５亿元，初步形成了产业规模。

在众多生产商中，后道封装厂主要有佛山光电、厦门华联、苏州半导体厂、深圳奥伦德电子等２０余家，但中小型封装厂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，深圳奥伦德、南昌欣磊、厦门三安是目前仅有的能够批量供应芯片的厂商，每月累计产量仅达１０００ＫＫ只，供不应求。

3.5、国家半导体照明工程

２００３年６月１７日，“国家半导体照明工程”协调领导小组召开了第一次电视电话会议，“国家半导体照明工程”正式启动。

２００４年３月２２日，协调领导小组与中国照明电器协会联合主办了“２００４年中国国际半导体照明论坛”。批准建立上海、厦门、大连、南昌四个半导体照明基地。

２００５年４月，深圳成为第５个国家半导体照明产业基地。２００４年深圳ＬＥＤ产值已超过５０亿元，有些企业的产值高达１０亿元，分布在上、中、下游产业链上的企业有３００多家。

国家计委、科技部发布的“国家优先发展的高技术产业化重点领域指南”中指出，功率型ＬＥＤ是光电器件，是新型电子显示器件，是国家优先支持的重点产业。ＩｎＧａＡｌＡｓ四元素红、绿、黄色超高亮度外延片是超高亮度ＬＥＤ的关键材料，是国家重点支持的产业。

4、功率型ＬＥＤ产业化的关键技术路线

功率型led产业化的关键技术如下表示。

４．１　金属有机化合物汽相淀积（ＭＯＣＶＤ）　

采用金属有机化合物汽相淀积的外延生长技术和多量子阱结构增大芯片面积，从而加大芯片的工作电流，提高芯片的整体功率。从目前单芯片１Ｗ、３Ｗ和５Ｗ的大功率ＬＥＤ向功率高至１０Ｗ，具有更高发光效率、经济实用的固态ＬＥＤ照明光源迈进。

4.2、晶片键合（Wａｆｅｒ　Bｏｎｄｉｎｇ）　

采用新型封装结构的主要目标是提高光电功率转换效率。目前采用晶片键合以透明的ＡｌＧａＩｎＰ衬底（ＴＳ）取代吸光的ＧａＡｓ衬底（ＡＳ）的倒梯形结构的功率型大面积芯片，工作电流可达５００ｍＡ，光通量大于６０ｌｍ，以脉冲方式工作时，则可达１４０ｌｍ。

采用ＩｎＧａＡｌＰ（ＡＳ）纹理表面结构的新一代功率型ＬＥＤ芯片，可以获得大于５０％的外量子效率，其基本性能与ＴＳ结构的ＬＥＤ相当，不仅可取代常