什么是外延片 - 360文档中心

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1.外延片指的是在衬底上生长出的半导体薄膜,薄膜主要由P型，量子阱，N型三个部分构成。

现在主流的外延材料是氮化镓(GaN),衬底材料主要有蓝宝石，硅，碳化硅三种，量子阱一般为5个，通常用的生产工艺为金属有机物气相外延(MOCVD)。

这是LED产业的核心部分，需要较高的技术以及较大的资金投入(一台MOCVD一般要好几千万)。

2.外延片的检测一般分为两大类:
一是光学性能检测，主要参数包括工作电压，光强，波长范围，半峰宽，色温，显色指数等等，这些数据可以用积分球测试。

二是可靠性检测，主要参数包括光衰，漏电，反压，抗静电，I-V曲线等等，这些数据一般通过老化进行测试。

3.需要指出的是，并没有白光LED芯片，只有白光LED灯珠/管，即需要进行封装才能获得白光小LED灯，也叫灯珠，管子。

白光LED一般通过两种途径获得：
一是通过配光，将红绿蓝三色芯片进行配比封装获得白光LED.
二是通过荧光粉转换蓝光LED，从而获得白光LED.
半导体制造商主要用抛光Si片（PW）和外延Si片作为IC的原材料。

20世纪80年代早期开始使用外延片，它具有标准PW所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。

历史上，外延片是由Si片制造商生产并自用，在IC中用量不大，它需要在单晶Si片表面上沉积一薄的单晶Si层。

一般外延层的厚度为2～20μm，而衬底Si 厚度为610μm（150mm直径片和725μm（200mm片）。

外延沉积既可（同时）一次加工多片，也可加工单片。

单片反应器可生产出质量最好的外延层（厚度、电阻率均匀性好、缺陷少）；这种外延片用于150mm“前沿”产品和所有重要200 mm产品的生产。

外延产品
外延产品应用于4个方面，CMOS互补金属氧化物半导体支持了要求小器件尺寸的前沿工艺。

CMOS产品是外延片的最大应用领域，并被IC制造商用于不可恢复器件工艺，包括微处理器和逻辑芯片以及存储器应用方面的闪速存储器和DRAM （动态随机存取存储器）。

分立半导体用于制造要求具有精密Si特性的元件。

“奇异”（exotic）半导体类包含一些特种产品,它们要用非Si材料，其中许多要用化合物半导体材料并入外延层中。

掩埋层半导体利用双极晶体管元件内重掺杂区进行物理隔离，这也是在外延加工中沉积的。

目前，200 mm晶片中，外延片占1/3。

2000年，包括掩埋层在内，用于逻辑器件的CMOS占所有外延片的69%，DRAM占11%，分立器件占20%。

到2005年，CMOS 逻辑将占55%，DRAM占30%，分立器件占15%。

市场动力
上世纪90年代中期，CMOS外延片用量增加的趋势已经出现。

1997～1998年间，半导体“滑坡”，IC公司按器件工艺“蓝图”（最小线宽缩小速率）更好利用Si表面“现实”状态。

无线和因特网应用的急剧增长，推动200mm和300mm晶片工艺向0.18μm及更小尺寸方面发展，其中许多（器件）并入了复杂的单芯片/一个芯片上的系统。

为达到所需器件性能和成本率目标，外延片优于抛光片，
因为外延片的缺陷密度低、吸杂性能好，电学性能（如锁存效应）也好，且易于制造。

外延片让器件制造商很自然地由200mm晶片过渡到300mm晶片而不必改变设计从而节省了时间和投资。

随着工艺上倾向于重视外延片，市场上相应地增加了CMOS器件用外延片的供应。

1996年前，外延片价格明显高于抛光片，这就妨碍了它作为IC原材料的使用。

相应于90年代晶片出现短缺，Si片制造商纷纷扩大其生产能力，但这又受到1996～1998年间工业萧条的打击：于是出现供过于求，导致Si价格大幅下滑，2～3年间，下降50%。

收入剧减，加之难以降低生产成本，迫使晶片制造商缩减扩产计划、推迟300mm进程，减少研发投资以降低成本。

1996年，晶片制造商投资其收入的55%用于扩大生产能力，到2000年，则减少到小于10%。

这些市场压力使晶片制造商降低外延片的价格，使许多IC制造商转向使用150 mm和200 mm外延片，这可使他们从外延片所显示的“产权成本/性能比”优势中获益。

2000年，直径200 mm外延片价格比相同直径抛光片高20%～30%，而在90年代中期，外延片价格要高出50%。

虽然过去两年IC市场稳步增长，但晶片制造商生产能力未跟上，晶片显得供不应求。

下一代200 mm和300 mmPW要求采用新的生长工艺，而这会大大降低成品率、减少产量。

IC和器件工艺发展（最小线宽减小，缺陷密度、吸杂及晶体原生颗粒，COP等问题）与现实的低成本晶片的缺乏不相一致，这样，是选择抛光片还是外延片就提到日程上来了。

代替抛光片的办法包括经H2和Ar气氛中退火的晶片，在成本、制造重复性和产品性能方面，这两种办法是有效的。

外延片需要大批量晶体进行加工，这可使晶片制造商扩大现行衬底生产能力而很少甚至不需要添加另外的设备。

（东芝陶瓷信越半导体、MEMC电子材料公司，瓦克Siltronic公司等）晶片制造商已提出若干新的外延工艺以解决COP和吸杂问题，同时要努力降低成本和提高产量。

采用外延片可能存在的问题
由于工业发展的周期性起伏和可变性，准确预测半导体市场是困难的。

同样，预测CMOS用外延片的增长受到若干因素的影响，主要有：1）市场疲软导致Si 片过剩，这使晶片制造商收入下降，因而限制甚至取消另外投资外延片生产计划，而外延片供应不足或缺乏，又使IC厂转而使用抛光片。

与无线及因特网相关产品需求下降也会减少对外延片的需求。

2）外延片没有产权成本优势，相对于抛光片也没有成品率或性能方面的“好处”，从而不能保证得到较高的“取得成本”（acguisition cost）200 mm和300 mm产品，如能成功（地解决某些质量问题）就无需利用外延片。

将来的市场
虽然市场疲软，但外延片所受冲击可望很小，200 mm晶片在2000年第3季度，达到供/需平衡，2000年间任一方面市场增长都会导致求过于供，即将出现的晶片短缺的程度则难以确定，晶片厂不愿意甚至不能扩大生产（包括外延片生产）会造成外延片供应紧张。

200 mm晶片需求预测表明：与2000年比，2005年的需求量会扩大40%～60%，（7百万～8百万片/月）甚至100%（1千万片/月），在此期间，200 mm外延片由38%用量增长到50%；300 mm晶片开始使用时，外延片可望占到～70%。

今天许多高增长率产品，由于有较高的性能要求而需采用外延片。

单片外延片生产比较复杂，因为先进的分立器件（150 mm）和150 mm/200 mm前沿产品受到（晶片）生产能力的限制。

如果能证明外延片相对于先进的PW（如氢或氩气退火片）
具有产权成本方面的优势，那么作为下一代200 mm、300 mm产品的材料，其地位是稳固的。

可以说，将来外延片需求量会有强劲增长，唯一的问题是供应不足。

白光LED简史
LED是Light Emitting Diode发光二极管的简称。

此种组件，无论是信息产品，通讯用品还是消费性家电制品，广泛普遍用于各种电子回路中，通常用来做为“显示状态”的用途。

使用红光、绿光或蓝光二极管的产品，市面上可以说四处可见。

但是使用白光的发光二极管，却很少见，其中是不是有什么技术瓶颈？答案是科技界最喜欢使用的反制招数。

因为这是日亚化学工业(Nichia)的独门专利。

然而，随着该公司专利战略的不得不变更，白色光LED的市场面以及性能面，有机会演起一场大变格的戏码。

市场面的首要冲激变革，即是供给体制的变化。

当有更多的竞争者，进入角逐之战场以后，我们可以预期至少会发生几件事情。

其一，自然是价格会滑落到一定的合理水平。

其二，可以大量的交货，满足市场的需求。

其三，品种的种类丰富化。

如果以上的推断逻辑成立的话，那么，白色光LED的市场扩大延伸，必然会呈现加速度的上升曲线。

日亚中村秀二倒戈掀起蓝光、白光LED专利权大战
说到白色光LED，必须延伸说到蓝光LED。

而谈到蓝光LED，这又与日亚化学工业的专利世纪大战，有密不可分的影响关系。

至于，白色光LED以及蓝光LED，又是存在怎样的你浓我浓的依存关系，稍后再来说明。

有意思的是，这场专利世纪大战的情节，直逼连续剧般地剧情变化，人事物地俱足，高潮迭起。

情节的主轴有二，其一，是专利权本身的战役。

其二，是幕后的伟大发明家中村秀二(Shuji Nakamura)先生，琵琶别抱，在劲敌日亚化学Cree公司从事兼职的研究工作，带领Cree开发不同于日亚的蓝光LED技术，向其老东家挑战。

说起日亚化学工业(Nichia)一向是以专利垄断之战略垄断蓝光LED市场。

何以，来个战略的乾坤挪移呢？实际上，日亚化学工业也是被目前的时势所逼，而不得不重新检讨策略上的运用。

日亚化学工业在1993年时成功地开发出蓝光LED，据称，其所拥有之相关专利就超过100件以上，而该公司为了达完全垄断蓝光LED市场的企图霸心，即运用了坚守专利的策略，悍然拒绝将该专利授权给其它任何的厂商，设下进入市场的专利障碍。

日亚挟其在化学工业领域长期研发的优势与专利保护策略，初期很顺利走向垄断蓝光LED市场之路。

如同风云中的雄霸一般，野心想独吞天下，成也风云，败也风云。

举个实际的发生例子而言，当1998年竞争对手丰田合成(Toyoda Gosei)的氮化物(Nitride)高亮度LED产品在市场上一推出时，日亚就向东京地方法院提起诉讼，指控丰田合成侵害其蓝光LED专利。

后来，此案做出裁决，东京地方法院判决专利侵权的案件成立，命令丰田合成公司停止制造与销售其LED产品，并赔偿1亿日元给日亚化学。

而对此一判决，丰田合成已经提起上诉。

第二个实际的案例，发生在1999年，日亚再转移目标对准美国的知名蓝光LED大厂Cree，向东京地方法院指控Cree在日本当地经销商住友商事侵害其产品专利。

一场横跨美、日两地的蓝光LED世纪专利大战，就从上一个世纪末延续打到了新世纪，而日亚的蓝光LED垄断之路，越走越崎岖，终究初尝败绩。

这项
判决实在具有重大的实质意义，一来因为这表示其它的竞争者有机会可以进入蓝光LED的市场，而不至于侵害日亚化学的专利二来，以专利伞独霸的招式，证明不是万灵丹。

从这几个案例，大家也可以不用付出任何高昂学费，学到一些宝贵的教训，他人是如何踢到铁板，又是如何利用招式来面对不利的局势。

此事证明了任何坚固如盘石一般的专利布局战略，其它厂商也不是完全没有机会，可以绕过专利地雷自行开创新的局面。

这就需要仰赖智能与技术的结晶。

白色光LED 2003年出货可达12亿颗
若是从性能层面来思考，要去专注的重点，不外乎“发光效率”以及“辉度量度”的特性问题。

依据推断，“白光”LED要直逼日光灯的发光效率，可能要到2004年，或提前或延后，这都不是问题，重点是照明器具业者、信息业者、通讯业者，大概已经留意到白色光LED的潜力，过去被视为“罕见的零件”将洗心革面变成普通的泛用组件。

“光效率”的提升，所带来多品种的“白光”LED，恰巧可以迎合携带电话机、PDA、以及照明器材的庞大市场。

尤其是携带电话机与照明器材，会因为其巨大的成长，带来“白光”LED无限的商机。

2001年的使用量，约有2亿个，2002年估计有62亿个的使用量。

预估2003年可能有机会急速扩大到12亿个，单价的滑落，当可预期。

我们用量化的数据，来看“白光”LED的究竟。

白热灯泡的发光效率，约落在16lm/W左右，而最常用的日光灯，其发光效率则是从60lm/W(20瓦的直立式灯管)到100lm/W(40瓦的直立式灯管)。

办公室或是在学校的场合，大多是100lm/W的日光灯，而在家庭室内的场合，60lm/W程度的发光效率，该是可以接受的范围。

而目前的“白光”LED的发光效率，可以看到30lm/W的产品。

由此可见，白光LED的发光效率，还有一段路要走。

如果观察日亚化学以及丰田合成的技术规划蓝图，所采用的手段，会从外部发光效率一路延伸到内部发光效率的两个层面，并双管齐下，到了2004年或2005年，应该可以达成50～60lm/W程度的理想范围。

其中，在施予外部发光效率的手法上，可能会是未来的技术主流。

依据丰田合成的说词，未来开发的课题，着力点放在“萤光体的改良”以及“萤光体的涂敷方式的最佳化”。

萤光体的涂敷方式，还是有他的Know-how存在，Citizen电子利用混合环氧树脂(Epoxy) 涂敷在萤光体，据称，此种外部发光效率的手法，可以提高大约20%～30%的发光效率。

至于以上所说的“lm/W”，其实就是代表每瓦多少流明的意思。

白光LED将取代钨丝灯泡成为新世代照明用具
白光LED是很多产业分析师或LED产业心目中相当被看好的新兴零件产品。

当然，所持的理由是，在全球能源的资源相当有限的的忧虑背景下，白光LED
在照明市场的前景备受全球瞩目。

欧、美及日本等先进国家也投注许多人力财力，设立专门的机构推动白光LED研究与开发的工作。

为什么白光LED会被视为未来的明星零件产品，这当然与他的特殊优势或说是优点，有相当大的关系。

拿白光LED与传统的白炽钨丝灯泡以及日光灯相互比较，马上见出分晓。

LED发光二极管的体积小，可以依据应用对象，允许多颗组合、发热量其低无比、耗电量又小，寿命又长，而且从环保的面向来观察的话，白光LED可以回收不会变成环境污染的废弃物等，用来传接传统照明器具作为下一个世代的照明器材，白光LED真是不做第二人想。

其中，发热量低、耗电量小，都是来自于它“低电压”、“低电流”动作的特点。

日亚、丰田合成白光LED技术各领风骚而刚才已经谈过一个观念。

要阐述白色光LED的技术，就必须先涉及蓝色光LED，这是因为目前白色光LED的技术，与蓝色光LED的技术息息相关的。

所谓的“白光”，其实，是由多种颜色经过混合之后而成的光。

混合的方式，就构筑成多种多样化的白色光LED。

好比说二波长光(蓝色光+YAG系黄色萤光粉)或三波长光(蓝色光+绿色光+红色光)。

三波长光，通常是以无机紫外光芯片加R.G.B三颜色萤光体。

在发光的技术方面，白光LED的发光结构方式是新加入战场竞争者，在产品上加以区隔的重心之一。

目前的主力大致有几种。

一个是日亚化学(Nichia)以460nm波长的蓝光晶粒涂上一层YAG萤光物质，利用蓝光LED照射此一萤光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合，便可得出所需的白光。

其次，是日本住友电工开发出以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差。

丰田合成(Toyoda Gosei)与东芝所共同开发的白光LED，是采用紫外光LED与萤光体组合的方式，与一般蓝光LED与萤光体组合的方式做区隔。

因为，蓝光LED 与萤光体的组合方式，当照在红色物体的时候，其红色的色泽效果比较不理想。

紫外光LED与萤光体组合可以弥补这个缺点，但是，其发光效率却仍低于蓝光LED与萤光体组合的方式。

至于价格与产品寿命，两者差距不大。

简单的来说，用四个面向来比较白光LED的差异，不失为一个标性的方法。

这四个面向，分别就是“色泽表现能力” ，“发光的效率”，“产品的成本与售价”，“产品的使用寿命期间”。

专利解除大开LED普及应用之门
白光LED的最庞大市场商机，即在于照明器材的市场。

其中的关键，笔者推断可能与机器中平均所使用的白光LED数量有密不可分的关系。

先从大哥大手机来说起，即使携带电话机的市场规模可以达4亿台，但其白光LED的使用数量，每一支手机却仅有个位数的少数几颗。

以PDA个人数字助理来说，每一台使用白光LED的数量也可能低于十颗，即使成熟又成长快速的笔记型计算机以及液晶显示银幕，每一台所采用白光LED的数量，也不会超过100粒。

然而，照明机器所使用的白光LED的数量，却庞大许多许多。

而且，照明器材的市场规模，本来就超越信息产业。

因此，白光LED的制造数量与生产能力的拉升，看来是箭在弦上。

目前白光LED的关键技术是LED技术，专利权过去掌握在日亚化等少数厂商手中，日亚化学(Nichia)的专利独家垄断，让白光LED的价格与供应完全由他支配，导致精于量产的业者切入困难。

诚如前面所说过，但技术的演进一旦突破日亚化的专利网，目前白光LED所受制的推广困境，应当能够显著改善，并赋予高度的期待。

姑且如此说，算是本文的小小结语吧！白光LED的时代，大门即将开启。

白光LED的贡献者，中村秀二，被媲美爱迪生发明电灯泡的二十世纪末的伟大发明家。

然由于横跨两个世纪的专利战，终于让这个门为众生渐渐开启，意思是说，竞争者会陆续加入，价格滑落之快，可以预期。

毕竟白光LED的优点(包含环保) ，用于照明器材，几乎是Perfect。

由于众厂家集中火力“发光效率”以及“辉度量度”的提升，因此，一堆人视为省电照明器材的救世主。

1,关于外延片：
芯片到制作成小芯片之前，是一张比较大的外延片，所以芯片制作工艺有切割这快，就是把外延片切割成小芯片
半导体制造商主要用抛光Si片（PW）和外延Si片作为IC的原材料。