LED外延片及芯片行业概况.docx

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LED外延片及芯片行业概况

LED外延片及芯片（LED行业核心部件）行业概况

内容提要：

一、LED外延片、芯片是整个LED产业链的上游部分，约占LED行业利润70%

外延片、芯片、等核心器件是LED行业中技术层次最高，代表行业发展水平的重要部分，是整个LED产业链的上游部分。

其制造技术的发展水平直接决定了LED行业的产业结构和市场地位。

具有技术优势的国家如美国、日本等在核心器件的原材料生产和器件设计上均处于世界领先水平，可见其地位在LED行业发展中十分重要。

在LED利润分布

名词解释

LED：

LightEmittingDiode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

HBLED：

高亮度发光二极管。

GaN:

氮化镓，属第三代半导体材料。

禁带宽度在T=300K时为3.2-3.3eV，晶格常数为0.452nm。

MOCVD：

是金属有机化合物化学气相淀积（Metal-organicChemicalVaporDePosition）的英文缩写，是在LED外延生长（VPE）的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。

蓝宝石：

是刚玉宝石中除红色的红宝石之外，其它颜色刚玉宝石的通称，主要成分是氧化铝（Al2O3）。

LCDTV：

可以接受TV信号的液晶显示器。

mcd：

光通量的空间密度，即单位立体角的光通量，叫发光强度，是衡量光源发光强弱的量，其中文名称为“坎德拉”，符号就是“cd”。

InGaAlP：

磷化铝镓铟，是四元系化合物半导体材料，是制造红色和黄色超高亮度发光二极管的最佳材料。

lGaInN：

氮化物半导体材料，是制备白光LED的基石。

OLED：

即有机发光二极管（OrganicLight-EmittingDiode），又称为有机电激光显示（OrganicElectroluminesenceDisplay,OELD），OLED屏幕具备许多LCD不可比拟的优势。

AMOLED:

（ActiveMatrix/OrganicLightEmittingDiode）是有源矩阵有机发光二极体面板。

相比传统的液晶面板，AMOLED具有反应速度较快、对比度更高、视角较广等特点。

1.4.1LED上游产业

LED上游产业主要是指LED发光材料外延片制造和芯片制造。

由于外延工艺的高度发展，器件的主要结构如发光层、限制层、缓冲层、反射层等均已在外延工序中完成，芯片制造主要是做正、负电极和完成分割检测。

在LED产业链的上游，我国面临的核心问题是缺乏核心技术和专利。

LED产业是一个技术引导型产业，核心技术和专利决定了企业在产业链的地位和利润分配。

国产LED外延材料、芯片以中低档为主，80%以上的功率型LED芯片、器件依赖进口。

1.4.2LED中游产业

LED中游产业是指LED器件封装产业。

在半导体产业中，LED封装产业与其他半导体器件封装产业不同，它可以根据用于现实、照明、通信等不同场合，封装出不同颜色、不同形状的品种繁多的LED发光器件。

1.4.3LED下游产业

LED下游产业是指应用LED显示或照明器件后形成的产业。

就LED应用来讲，面应该更广，还应包括那些在家电、仪表、轻工业产品中的信息显示，但这些不足以支撑LED下游产业。

其中主要的应用产业有LED显示屏、LED交通信号灯、太阳能电池LED航标灯、液晶背光源、LED车灯、LED景观灯饰、LED特殊照明等。

图1：

LED下游应用产业份额

数据来源：

中国机电数据网

从下游需求来看，2009年我国的LED需求集中在景观装饰照明和显示屏领域，二者的产值占国内LED产值的43.33%。

随着LCDTV（可以接受TV信号的液晶显示器）和照明市场的启动，国内LED产值结构将发生变化。

2010-2012年LCDTV和照明将主导LED下游需求。

（数据来源：

南京证券）

4.2LED核心器件生产流程

在整个LED的产业链中，用于在衬底材料上生长半导体层的MOCVD外延炉可以说是最重要的设备，也是投资最大的部分，根据规格不同，单台MOCVD设备的价格在1000-2000万元之间。

图11：

高亮度LED颗粒的生产流程及所用设备/原材料

来源：

国金证券研究所

5LED外延片制造概况

LED外延片生长的基本原理是：

在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石和、SiC、Si）上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。

目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法（MOCVD）。

图12：

LED外延片

5.1衬底材料是LED照明的基础，也是外延生长的基础

LED外延片衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。

不同的衬底材料，需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。

1993年，日本科学家中村修二在GaN基片上研制出第一只蓝色发光二极管，实现了高亮发光并间接实现了白光，从此成为应用最广泛的发光半导体材料。

能够用于GaN的衬底材料主要有蓝宝石（Al2O3）、SiC、Si、ZnO、GaN，但只有前两种得到了较大规模的商业化应用，且能够提供产品的企业极少。

一直以来，日本日亚公司垄断了大部分蓝宝石衬底的供应，而美国Cree公司则是唯一能够提供商用SiC衬底的企业。

用Si作为衬底生长GaN基LED是业界寄予厚望的一个技术路径，但因为存在材料失配引起龟裂、发光效率低、工作电压高、可靠性差等诸多难以克服的困难，一直没有得到真正的商业化。

蓝宝石是目前主流的衬底材料，但其硬度很高（仅次于金刚石），加工过程中钻取、切割、研磨的工艺难度大、效率很低，且因蓝宝石衬底片要求表面光洁度在纳米级以上，研磨尤其困难。

表5：

各类GaN衬底的技术对比

衬底材料

优点

问题

蓝宝石（Al2O3）

光学性能好

化学稳定性好

硬度过高（莫氏硬度9）

机械加工性能差

导热性差，大电流下散热问题严重

碳化硅（SiC）

光学性能好

导热性、化学稳定性好

价格昂贵

机械加工性能差

Si

成本低

导电性、导热性、热稳定性好

吸光性强，发光效率低

晶格失配、热失配

资料来源：

中国机电数据网整理

5.2外延片产品消费结构

在外延片的产品消费结构上，由于目前我国主要是封装占据主体，LED灯具应用在手机按键、液晶显示屏等，汽车用LED灯具、楼宇照明等领域。

外延片的消费偏重于普通硅底衬产品，GAN技术各类色光技术外延片的消费份额还比较小。

当前主要是白光LED灯具尤其是高亮度LED显示屏用外延片的消费，占到消费总体的72%，其它灯具制造用外延片消费份额较少，总计占到28%。

（数据来源：

中国产业竞争情报网）

5.3外延片制造成本分析

在整个LED产业外延片的生长、芯片、芯片封装三个环节中,外延片生长投资要占到70%,外延片成本要占到封装后的成品芯片的70%，可见其造价成本较高。

外延生长的基本原理是：

在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石和SiC，Si）上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。

目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。

外延片的生长技术相对复杂，产品成型后的选优等会淘汰很多不合格产品，这也是外延片成本的较高的主要原因。

据了解，延片的生产制作过程是非常复杂，展完外延片，接下来就在每张外延片随意抽取九点做测试，符合要求的就是良品，其它为不良品（电压偏差很大，波长偏短或偏长等）。

良品的外延片就要开始做电极（P极，N极），接下来就用激光切割外延片，然后百分百分捡，根据不同的电压，波长，亮度进行全自动化分检，也就是形成LED芯片（方片）。

然后还要进行目测，把有一点缺陷或者电极有磨损的，分捡出来，这些就是后面的散晶。

此时在蓝膜上有不符合正常出货要求的芯片，也就自然成了边片或毛片等。

不良品的外延片（主要是有一些参数不符合要求），就不用来做方片，就直接做电极（P极，N极），也不做分检了，也就是目前市场上的LED大圆片。

综合而言，外延片的制造成本较高，占到整个芯片产品的70%左右，其生长技术和产品质量控制等对其成本均有较大的影响。

5.4LED外延片主要生产工艺及设备

目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法（MOCVD），这种方法的引用是基于LED外延生长基本原理，LED外延生长的基本原理是在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石和SiC，Si）上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。

5.4.1MOCVD在LED生产中至关重要

LED制造中MOCVD是十分关键的设备，MOCVD占LED厂商资本支出的50%以上。

MOCVD是制作外延生片的必须设备，其供给由国际巨头爱思强（德国）、维易科（美国）以及日本酸素垄断。

2009年，爱思强的市场份额高65%，较2008年的70%的市场份额虽有所下滑，仍然是MOCVD行业的绝对龙头；相应地，维易科的市场份额稳居市场第二，2009年市场份额为28%，较2008年增加近8个百分点。

2010年一季度，维易科的市场份额进一步提高至31%，订单份额增加至43%。

行业内最领先的日本企业对技术严格封锁，其中对GaN材料研究最成功的日本日亚化学和丰田合成（ToyodaGosei）的MOCVD设备则根本不对外销售，另一家技术比较成熟的日本酸素（Sanso）公司的设备则只限于日本境内出售。

目前，国内所有生产LED外延片、芯片的企业均需从国外高额进口MOCVD设备，而此类设备每台约需1500万元，购置成本约占整个LED生产线成本的2/3。

图13：

MOCVD在LED生产中至关重要

数据来源：

南京证券研究所

5.4.3MOCVD生产设备概况

MOCVD是在气相外延生长（VPE）的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术.它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。

通常MOCVD系统中的晶体生长都是在常压或低压（10-100Torr）下通H2的冷壁石英（不锈钢）反应室中进行，衬底温度为500-1200℃,用射频感应加热石墨基座（衬底基片在石墨基座上方）,H2通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。

5.4.3.1MOCVD技术具有下列优点

（l）适用范围广泛，几乎可以生长所有化合物及合金半导体;

（2）非常适合于生长各种异质结构材料;

（3）可以生长超薄外延层，并能获得很陡的界面过渡;

（4）生长易于控制;

（5）可以生长纯度很高的材料;

（6）外延层大面积均匀性良好;

（7）可以进行大规模生产。

5.4.3.3MOCVD设备的发展趋势

研制大型化的MOCVD设备。

为了满足大规模生产的要求，MOCVD设备更大型化。

目前一次生产24片2英寸外延片的设备已经有商品出售，以后将会生产更大规模的设备，不过这些设备一般只能生产中低档产品；

研制有自己特色的专用MOCVD设备。

这些设备一般只能一次生产1片2英寸外延片，但其外延片质量很高。

目前高档产品主要由这些设备生产，不过这些设备一般不出售。

（1）InGaAlP

四元系InGaAlP化合物半导体是制造红色和黄色超高亮度发光二极管的最佳材料，InGaAlP外延片制造的LED发光波段处在550～650nm之间，这一发光波段范围内，外延层的晶格常数能够与GaAs衬底完善地匹配，这是稳定批量生产超高亮度LED外延材料的重要前提。

AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，波长625nm附近其外延片的内量子效率可达到100%，已接近极限。

目前MOCVD生长InGaAlP外延片技术已相当成熟。

InGaAlP外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的GaAs衬底基片上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到GaAs衬底表面，生长出具有特定组分，特定厚度，特定电学和光学参数的半导体薄膜外延材料。

III族与V族的源物质分别为TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、PH3与AsH3。

通过掺Si或掺Te以及掺Mg或掺Zn生长N型与P型薄膜材料。

对于InGaAlP薄膜材料生长，所选用的III族元素流量通常为（1-5）×10-5克分子，V族元素的流量为（1-2）×10-3克分子。

为获得合适的长晶速度及优良的晶体结构，衬底旋转速度和长晶温度的优化与匹配至关重要。

细致调节生长腔体内的热场分布，将有利于获得均匀分布的组分与厚度，进而提高了外延材料光电性能的一致性。

（2）lGaInN

氮化物半导体是制备白光LED的基石，GaN基LED外延片和芯片技术，是白光LED的核心技术，被称之为半导体照明的发动机。

因此，为了获得高质量的LED，降低位错等缺陷密度，提高晶体质量，是半导体照明技术开发的核心。

6LED芯片生产概况

　LED芯片也称为LED发光芯片，是led灯的核心组件，也就是指的P-N结。

其主要功能是：

把电能转化为光能，芯片的主要材料为单晶硅。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

图15：

高亮LED芯片

6.1LED芯片的分类

用途：

根据用途分为大功率led芯片、小功率led芯片两种；

颜色：

主要分为三种：

红色、绿色、蓝色（制作白光的原料）；

形状：

一般分为方片、圆片两种；

大小：

小功率的芯片一般分为8mil、9mil、12mil、14mil等

6.2LED芯片制造流程

制造LED芯片过程中首先在衬底上制作氮化鎵（GaN）基的外延片（外延片），外延片所需的材料源（碳化硅SiC）和各种高纯的气体如氢气H2或氬气Ar等惰性气体作为载体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。

接下来是对LED-PN结的两个电极进行加工，并对LED毛片进行减薄，划片。

然后对毛片进行测试和分选，就可以得到所需的LED芯片。

LED芯片的制造工艺流程：

外延片→清洗→镀透明电极层→透明电极图形光刻→腐蚀→去胶→平台图形光刻→干法刻蚀→去胶→退火→SiO2沉积→窗口图形光刻→SiO2腐蚀→去胶→N极图形光刻→预清洗→镀膜→剥离→退火→P极图形光刻→镀膜→剥离→研磨→切割→芯片→成品测试。

图16：

LED芯片制造流程

总的来说，LED制作流程分为两大部分：

首先在衬底上制作氮化鎵（GaN）基的外延片，这个过程主要是在金属有机化学气相沉积外延片炉（MOCVD）中完成的。

准备好制作GaN基外延片所需的材料源和各种高纯的气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。

常用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底，还有GaAs、AlN、ZnO等材料。

MOCVD是利用气相反应物（前驱物）及Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族的NH3在衬底表面进行反应，将所需的产物沉积在衬底表面。

通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。

MOCVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备。

然后是对LEDPN结的两个电极进行加工，电极加工也是制作LED芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对LED毛片进行划片、测试和分选，就可以得到所需的LED芯片。

如果芯片清洗不够乾净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出来的金属层（指蚀刻后的电极）会有脱落，金属层外观变色，金泡等异常。

蒸镀过程中有时需用弹簧夹固定芯片，因此会产生夹痕（在目检必须挑除）。

黄光作业内容包括烘烤、上光阻、照相曝光、显影等，若显影不完全及光罩有破洞会有发光区残多出金属。

芯片在前段工艺中，各项工艺如清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨等作业都必须使用镊子及花篮、载具等，因此会有芯片电极刮伤情形发生。

6.3芯片制造成本分析

从芯片的制造流程可以看到，其成本的大部分为外延片的生产，其它部分的加工以及封装成本较少仅占到30%。

目前我国的LED芯片制造成本虽然相对外资产品较低，但在外延片技术上的投入比例依然很大，并没有摆脱各国的共性。

不过随着外延片生产技术和工艺的提升，我国LED芯片的制造成本有望继续降低。