LED外延片及芯片行业概况.docx

1、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：Light Emitting Diode，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

2、可以直接把电转化为光。HB LED：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-organic Chemical Vapor DePosition)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）。LCD TV：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

3、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（Organic Light-Emitting Diode），又称为有机电激光显示（Organic Electroluminesence Display, OELD），OLED屏幕具备许多LCD不可比拟的优势。AMOLED: （Active Matrix/Organic Light Emitting Diode）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

4、应速度较快、对比度更高、视角较广等特点。1.4.1 LED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。1.4.2 LED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

5、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。 1.4.3 LED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

6、的43.33%。随着LCD TV（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LCD TV 和照明将主导LED 下游需求。（数据来源：南京证券）4.2 LED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5 LED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、

7、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、S

8、i、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

9、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

10、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

11、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

12、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。5.4 LED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。5.4.1 MOCVD 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

13、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（Toyoda Gosei）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

14、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5.4.3 MOCVD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.它以族、族元素的有机化合物和V、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-V族、-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500-1

15、200,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。5.4.3.1 MOCVD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。5.4.3.3 MOCVD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，

16、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550650nm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%

17、，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

18、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。6 LED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

19、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 6.1 LED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6.2 LED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

20、（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）

21、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）及族的有机金属和族的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LED PN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、

22、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。