十年磨一剑 中国LED硅衬底技术取得突破性进展

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十年磨一剑 中国LED硅衬底技术取得突破性进展

  • 贵州之窗 来源:未知 2014-06-07 17:12
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    在LED行业中,我国自主创新的硅衬底LED技术被誉为继碳化硅(SiC)LED技术、蓝宝石衬底LED技术之外的第三条技术路线,其打破了日本和欧美LED厂商形成的牢固的专利壁垒,拥有完全自主知识产权,可以自由走向国外。

    难!这是所有了解LED技术的人对在硅衬底上生长LED材料的第一反应。难在哪儿?在2004年以前,30多年的研究并没有解决硅衬底和氮化镓材料的热失配和晶格失配的难题,人们无法得到高质量的氮化镓发光薄膜。

    好!硅衬底LED技术路线是LED业界几十年梦寐以求的技术路线。好在哪儿?如果能突破硅衬底LED技术难题,实现大尺寸大规模生产,可以大幅降低成本,加速LED照明时代的到来!

     

     

     

    十年磨一剑 中国LED硅衬底技术取得突破性进展

     

    图:2010-2015年中国LED外延芯片产值规模及预测

    硅衬底LED技术路线是LED业界梦寐以求的技术路线,但由于技术难度大,因而大都停留在研究室的试水阶段。筚路蓝缕、以启山林——直到2004年,在南昌大学的一间简陋的实验室里,硅衬底LED蓝光芯片率先破茧而出,硅衬底LED技术实现了颠覆性的突破,在世界LED历史上具有划时代的里程碑意义。

    如今,十年过去,LED硅衬底技术作别了只存在于实验室的历史。在金沙江创投等一批风险投资的倾力支持下,业已发展为拥有晶能光电、中节能晶和照明等10家公司的全产业链产业集群,产业链的销售额2013年达到10亿人民币,2014年将有望达到25亿元。

    技术有特点,决定细分市场的领先地位

    硅衬底LED芯片是垂直结构,电流扩散均匀,单位面积可承载的电流密度大,加之硅衬底的散热效果远好于蓝宝石衬底,可靠性好,适合制造大功率LED产品,可广泛应用于可靠性要求高的路灯、隧道灯、投光灯等户外照明领域。

    其芯片是单电极,芯片尺寸可以做到很小,因为少打一根电极线,在数码产品、高密度户内显示屏等领域具有可靠性高的明显优势,众多德国品牌汽车的仪表盘都是使用硅衬底LED芯片做背光。

    硅衬底LED芯片是倒装剥离芯片,单面发光,因而产品具有出光方向容易管控的特点,在汽车大灯、探照灯、自行车灯等领域具有明显优势。

    其单面发光的特点决定了其出光均匀、质量好,因而在对光的质量要求高的产品,例如手机闪光灯、监控设施的补光灯、用于画廊、珠宝店、蔬菜店等场所的高档射灯等,用硅衬底LED芯片是最好的选择。

    在以上这些领域,市场容量每年至少有200亿美元,并且逐步增长,硅衬底LED产品在此类细分市场都有较强的竞争优势。

    专利有保障,未来抵御国际巨头专利诉讼的“护身符”

    如果说蓝光DVD受制于他国的教训没有警醒我们,那么重蹈覆辙的光伏之殇应该使我们醍醐灌顶。国外LED大厂放水养鱼的功夫已炉火纯青,随着国内LED规模的日益壮大,想要避免国外LED巨头的专利围剿,凭借现有的技术、人才和团队恐怕是“难于上青天”。

    技术创新是LED企业市场竞争的筹码,那么专利就是技术创新的“护身符”。从技术取得突破开始,晶能光电就以硅衬底LED技术为核心,覆盖外延生长、芯片制造、封装及应用的专利网在欧、美、韩、日等LED发达国家及地区铺开。拥有自身核心专利是LED上游企业长驱海内外市场的利器,也是未来抵御国际巨头专利诉讼的护身符。

    搭建支撑平台,硅衬底LED技术创新的加速器

    尽管国内的LED企业都深谙技术创新的重要性,但技术创新需要研发平台、孵化平台、资金平台、人才平台等系统性支撑。

    显然,硅衬底LED技术的魅力已吸引了众多优秀的海内外人才集聚晶能光电,产业集群已经拥有了科技部批准的国家硅基LED工程技术研究中心和国家发改委批复固态光源国家地方联合工程技术中心这两大实力雄厚的技术平台,形成了外延材料、芯片、封装和应用研发的垂直一体化,加之,硅衬底LED产业链企业联合国内多家著名的高校和科研院所,为硅衬底LED技术的创新打造了强有力的产学研平台和技术孵化平台。

    同时,吸引了金沙江、淡马锡等一批著名的国际风险投资基金和国内资金平台,特别是专注投资南昌企业的洪城资本的成立,搭建了一个坚实的立体的融资平台。

    LED产业大发展,期待大尺寸硅衬底LED技术的成熟

    在没有出现其他颠覆性技术之前,硅衬底LED技术是降低LED成本最有效途径之一。其中最重要的手段就是用6吋及以上的大尺寸衬底生长外延材料。

    首先硅衬底材料便宜,尤其是随着尺寸的增大,单位面积的价格不断降低;其次,由于外圈效应,单位面积的有效芯片颗数大大增加。再次,集成电路中的大尺寸晶圆制造技术已非常成熟,大尺寸硅衬底LED芯片技术可借鉴集成电路的工艺技术和成熟产线,实现自动化大规模生产,6吋的生产效率和目前的2吋相比可提升11-12倍,有效降低芯片生产成本。成本的大幅下降将会促使LED照明更快地普及。

    十年磨一剑 中国LED硅衬底技术取得突破性进展

    图:LED通用照明的HAITZE定律

    目前,除了晶能光电,Cree、Osram、Samsung、Lumileds、Toshiba、Epistar及美国Micron等国际一线厂商都在大手笔投入硅衬底LED技术的研发,以期在硅衬底上实现技术突破。其释放出的讯号也许可以减少很多人对硅衬底LED技术的质疑。当然,这也使领先者晶能光电感受到巨大的压力。可以预见的是,继晶能光电量产并不断扩产之后,硅衬底LED技术路线的阵营将会越来越大。

    十年来,全球LED技术遵循着“HAITZE”定律,发生了翻天覆地的变化,LED光效由100lm/W提升到260lm/W(实验值),越来越接近LED的光效极限。当光效不再是LED芯片厂商追求的唯一目标时,不管是蓝宝石LED技术、碳化硅LED技术还是硅衬底LED技术,它们之间的成本竞争才是真正亮剑时。

    阿拉丁神灯奖评委、华南师范大学教授、著名的光电专家文尚胜说:‘晶能光电公司是继日本CREE公司的蓝宝石衬底LED技术、美国CREE公司的SIC LED技术以后,全球LED技术领域的第三极——硅衬底LED技术的领军企业,也是中国在LED技术领域最有话语权的企业。该公司最新开发的新一代硅衬底GaN基LED芯片,除了采用传统垂直结构芯片的技术之外,创新性地在芯片中均匀开挖多个“通孔Via”,可以使N型金属均匀嵌入LED芯片内部。这种新技术的好处体现在两个方面:其一,由于“通孔Via”均匀地分布在芯片内部,注入芯片的电流也就均一地分布在N-GaN中,有效地消除了电流拥堵现象,缓解Droop效应,提高光效。其二,克服了传统LED量子阱发光区(MQW)向芯片外部的发光受到N电极的阻挡的痼疾,可以显著地提高芯片对光的提取效率。通过该项新技术的应用,晶能公司的硅衬底LED芯片的光效达到150lm/W,成为全球唯一一款可以达到并远超照明应用要求的、可以规模化生产的大功率硅衬底LED芯片。

    没有梦想,何必远方?

    晶能光电在硅衬底LED技术的十年潜心研究所取得的突破是晶能光电团队以梦想为终点、以奋斗为起点而孜孜不倦耕耘的结果。按晶能光电联合创始人、CEO王敏博士的话说:晶能光电是个有理想的企业,因为有理想,所以有吸引众多海内外人才的凝聚力;因为有理想,所以团队可以拒绝浮华、默默坚持十年;因为有理想,所以可以面向未来,走向远方。

    坚持的力度决定了成功的高度。

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