LED图形化蓝宝石衬底

LED图形化蓝宝石衬底

项目可行性报告

一、立项的背景和意义

在大尺寸背光源渗透率快速提升、照明产品需求逐步扩大等新兴应用领域快速发展的带动下，近几年，全球LED市场保持了快速的增长，成为半导体行业中的发展亮点。

LED因其节能、环保、长寿命、耗能低、体积小、应用灵活、控制方便等特点，LED的应用前景非常广阔，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等领域。在资源日渐衰竭的今日，环保、节能是各产业发展的重心，LED的出现为人类的生活世界带来新革命、新科技。

近年来，随着全球半导体照明产业升温，欧、美、日等纷纷推出半导体照明计划。

白光LED的出现，是LED从标识功能向照明功能跨出的实质性一步。白光LED的应用市场非常广泛，也是取代白炽钨丝灯泡及荧光灯的“杀手”。目前，白色LED已开始进入一些应用领域，应急灯、手电筒、闪光灯等产品相继问世。

蓝宝石晶体是目前半导体照明产业发展过程中使用最为广泛的的衬底材料，蓝宝石具有高强度、高熔点、物理化学性能稳定等特性，在军事、航天航空、光学、生物、分析、半导体基片以及在高

速信息处理、电子光子装置的微型化、智能化方面得到广泛的应用。

随着半导体照明技术的不断发展，LED越来越多的进入到各种照明领域中。LED照明市场的迅速发展，成为蓝宝石应用市场扩展的又一重要力量。

LED产业中提高器件的内量子效率和光萃取效率是一个一直困扰产业界的问题，业内技术人员不断尝试各种方法去提高器件的发光效率，其中影响内量子效率和光萃取效率的因素主要是衬底与外延层的晶格失配合热膨胀系数适配，以及不同材料间由于折射率不同造成的光全反射，从而使光无法出射的问题。

蓝宝石衬底和氮化镓材料存在巨大的晶格失配（16%）和热膨胀系数失配（34%），所以异质外延的GaN材料内部具有很高的位错密度（109——1011cm-2），这会引起载流子泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响，降低器件的内量子效率；另一方面，由于GaN材料折射率（2.4）高于蓝宝石衬底（1.7）以及外部封装树脂（1.5），使得有源区产生的光子在GaN上下界面发生多次全反射，严重降低器件的光提取效率。图形化衬底技术通过在蓝宝石衬底表面制作具有细微结构的图形，然后再在这种图形化的衬底表面进行LED材料外延。

图形化的界面改变了GaN材料的生长过程，能抑制缺陷向外延表面的延伸，提高器件内量子效率；同时，粗糙化的GaN蓝宝石界面能散射从有源区发射的光子，使得原本全反射的光子有机会出射到器件外部，能有效提高光提取效率。

基于图形化衬底（简称PSS）的外延材料制成的LED器件参数表明，其20mA下光功率水平相比普通蓝宝石衬底制作的器件光功率增加约30％，因此采用PSS衬底是提高氮化镓基发光二极管出光效率的一种有效方法。

当PSS能使外延性能增加的学术文献提出后，韩国大小厂就急起直追，率先采用PSS作为蓝光外延的基板材料，经过三数年努力，其LED晶粒亮度已能威胁到台日等外延大厂；因此造就了09年起九成以上的外延业者把原有平板基板开始全面更换为PSS的风潮。随着09年以后比例的提升，表1的估算明年PSS预计需求量达到每月近100万片，当年全球市场规模达到2.5亿美金以上。

图形化蓝宝石市场需求状况以及三年市场预估(单位：万片)

PSS市场规模如此巨大，目前PSS的制造主要集中于韩国和台湾，日系厂家主要是Nichia或Toyoda Gosei在制造和使用，并不外售。韩系PSS厂商Theleds、Plustek等带领的PSS主流规格在两年间快速改变，从<3um底宽/2um间距/1.5um高>，逐渐微缩到目前的<2um底宽/1um间距/1.5um高>，甚至是良率更低的

<2um底宽/1um间距/1.7um高>。目前韩国光刻机总数为32台，PSS产能约为48万片，从目前韩国蓝宝石基板还需要从台湾进口来看，仍然缺口很大。

台湾制造PSS的主要厂家及其产能如表2所示，按光刻机台总数计算，总共产能约为为42万片，按照目前市场情况，台湾岛内约450台MOCVD，蓝宝石基板需要约80万片，按照比例计算，PSS 需求量约为40万片，加之蓝宝石供应紧张，目前台湾岛内PSS产能难以满足台湾岛内需求。

大陆PSS目前处于起步阶段，具有一定规模的有三安、中镓，而外延厂家所制PSS一般都自给，中镓据说是引进韩国技术，可以少量出货，但对于迅速膨胀的国内LED产业可以说是杯水车薪。另外蓝宝石厂家难以涉足半导体光刻，而外延厂自己来做的话，一方面对于IC的光刻工艺了解较少，另外又会为基片的供应发愁，所以国内尚未有规模化的厂家。

总而言之，不论是日本、台湾，还是韩国，目前都只能满足国内需求，PSS市场机遇不可估量。同时本项目产品符合国家产业政策，符合浙江省十二五重大科技专项实施方案中的“新材料技术专项。拟解决的重大技术问题及主要方向：功能、智能材料设计、制备与应用关键技术，重点研发半导体照明及其配套材料产业化技术”。

二、国内外研究现状和发展趋势

中国科学院半导体研究所研发团队在pss制备技术方面申请了几项专利，主要包括：

1）在蓝宝石衬底上淀积一层SiO2，利用常规光刻技术用光刻胶在SiO2上制备掩膜，然后用氢氟酸和氟化铵的混合水溶液将光刻胶上的图形转移通过刻蚀SiO2层的方法转移至SiO2层，然后用图形化的SiO2层作掩膜，用硫酸和磷酸的混合水溶液在高温（270℃）下刻蚀蓝宝石，最终将图形转移至蓝宝石上，然后利用稀释的氢氟酸洗去SiO2层并清洗后得到pss。现国内采用这种方法来制备的企业有厦门三安光电等。

2）在蓝宝石表面淀积一层金属薄膜，退火处理后金属薄膜形成无定形的图形化的金属掩膜，利用ICP刻蚀后将得到的图形转移到蓝宝石上，之后用酸腐蚀掉金属层后经过清洗得到pss。

3）在蓝宝石衬底上淀积一层SiO2层或者氮化硅（Si3N3），然后在其上淀积一层金属层，低温退火后形成纳米级的金属颗粒，利用这些颗粒作为掩膜刻蚀SiO2或者Si3N3层，用酸洗去金属层后得到纳米级图形的SiO2或者Si3N3掩膜，利用这层掩膜再刻蚀蓝宝石将图形最终转移至蓝宝石上，用酸洗去SiO2或者Si3N3掩膜并清洗后就得到了pss。这种方法的优点是将图形可以缩小至纳米级，并且成本也相对较低。但是这种方法同样存在图形的均匀性较难控制，而且图形的排列也很难保证有序，对于GaN外延生长的质量改善能力有限，从而限制了其走向产业化的道路。