芯片廠擴產(chǎn)與大電流驅(qū)動LED芯片

　　1. 背景：芯片廠擴產(chǎn)

　　按照晶元公司的預(yù)測，（1）如果led液晶電視占液晶電視市場份額的10%，則目前全世界的LED芯片廠的產(chǎn)能將供不應(yīng)求（這一預(yù)測現(xiàn)在已被證實）；（2）照明市場更大，如果全世界的白熾燈100%的被LED燈替換，則LED照明對LED芯片的需求是LED液晶電視對LED芯片的需求的100倍，即使10%的白熾燈被LED燈替換，對LED芯片的需求也是LED液晶電視需求的10倍。比較樂觀的估計是，在未來1至2年內(nèi)，LED將大舉進入照明。

　　因此，一方面，各個LED芯片公司都在擴產(chǎn)，另一方面，其他資金也大量進入LED芯片產(chǎn)業(yè)。例如，韓國的三星公司采購了大量的外延設(shè)備MOCVD。

　　瓶頸在于，外延設(shè)備廠的擴產(chǎn)速度有限（據(jù)報道，世界兩大MOCVD生產(chǎn)廠家預(yù)計到今年底，產(chǎn)能增加1倍），藍寶石襯底廠的擴產(chǎn)速度有限（目前，合格的藍寶石襯底的生產(chǎn)廠家的數(shù)量屈指可數(shù)）。外延設(shè)備廠和藍寶石襯底廠的擴產(chǎn)速度遠遠達不到LED照明對LED芯片的需求的增加的速度。其他的芯片設(shè)備和原材料的供應(yīng)都會出現(xiàn)緊張。

　　如何在未來的幾年內(nèi)擴大設(shè)備廠的產(chǎn)能和原材料廠的產(chǎn)能以滿足LED照明對LED芯片的需求呢？

　　2. 一種緩解的方法：大電流驅(qū)動的LED芯片

　　緩解的方法之一是：研發(fā)并在1至2年內(nèi)生產(chǎn)可以采用大電流驅(qū)動的LED芯片，使得一個芯片發(fā)出的光通量相當(dāng)于數(shù)個傳統(tǒng)的LED芯片的光通量。

　　大電流驅(qū)動的LED芯片的優(yōu)勢如下：

　　（1）相當(dāng)于LED芯片的價格降低到原有芯片的幾分之一，更有利于LED照明的推廣。
　?。?）相當(dāng)于現(xiàn)有產(chǎn)能提高了幾倍，而沒有增加極其昂貴的設(shè)備投資，降低風(fēng)險。
　?。?）提高了新擴產(chǎn)的設(shè)備的生產(chǎn)能力。

　　為了更直觀的理解這一緩解的方法，引入兩種芯片產(chǎn)能的定義：

　?。ˋ）“芯片產(chǎn)能”。

　?。˙）“l(fā)m產(chǎn)能”，即，采用lm數(shù)量來計算芯片廠的產(chǎn)能，因為照明燈具的要求是采用lm（或lux）數(shù)來計算，而不是燈具所使用的芯片的數(shù)量來計算，這有些像發(fā)電廠的產(chǎn)能是按發(fā)電量計算的一樣。

　　例如，一個芯片廠的“芯片產(chǎn)能”是：月產(chǎn)100 kk的45mil芯片。

　　如果每個芯片封裝后在350mA驅(qū)動下發(fā)出100 lm的光，可以說該廠的“l(fā)m產(chǎn)能”是10 kkk lm。但是，如果每個芯片封裝后在更大電流驅(qū)動下發(fā)出300 lm的光，可以說該廠的“l(fā)m產(chǎn)能”是30 kkk lm。然而，按照350mA驅(qū)動的100 lm的LED芯片，為了達到30 kkk lm的“l(fā)m產(chǎn)能”，則需要的“芯片產(chǎn)能”是：月產(chǎn)300 kk的350mA驅(qū)動的45mil芯片。

　　對于上面的例子，這相當(dāng)于：

　?。?）大電流驅(qū)動的芯片的每lm光通量的成本減低到原來的1/3；
　?。?）芯片廠家的“l(fā)m產(chǎn)能”提高了3倍，但是，芯片廠家的“芯片產(chǎn)能”沒有增加，因而，沒有增加數(shù)目巨大的設(shè)備投資，節(jié)省了擴產(chǎn)月產(chǎn)200 kk 的“芯片產(chǎn)能”的巨額投資；
　?。?）也節(jié)省了月產(chǎn)200 kk的350mA驅(qū)動的芯片的外延生長和芯片工藝的原材料費用。

　　即緩解了對設(shè)備廠商的壓力，也緩解了對原材料（包括藍寶石襯底）的需求。

　　如果能采用更大的電流（例如，數(shù)安培量級的電流）驅(qū)動，則優(yōu)勢更大。

　　韓國的三星公司采購了大量的外延設(shè)備這一消息被多次引用，但是，沒有引起廣泛注意的是，三星公司正在與他人合作研發(fā)大電流驅(qū)動LED芯片，并且已在外延層面進行了專利布局。屆時，不但三星公司的外延設(shè)備的“芯片產(chǎn)能”大的驚人，其“l(fā)m產(chǎn)能”則更是驚人——數(shù)倍于350mA驅(qū)動的LED芯片的“l(fā)m產(chǎn)能”。沒有大電流驅(qū)動芯片的技術(shù)的廠家則更難望其項背。

　　3. 大電流驅(qū)動的LED芯片的發(fā)展

　　據(jù)透露，Cree公司的1.5A電流驅(qū)動的芯片正在進行老化試驗，截至目前，6000小時只衰減7%。

　　我們知道：可以用大電流驅(qū)動的LED芯片必須在：（A）外延層面、（B）芯片層面、（C）封裝層面，滿足下面的條件：

　?。ˋ）外延層面：關(guān)鍵的問題是要解決在大電流驅(qū)動時芯片的量子效率下降（efficiency droop）問題。一些公司正在研發(fā)解決效率下降的方法。例如，美國佛吉尼亞大學(xué)公開了試驗結(jié)果：采用摻雜鎂的InGaN 阻擋層代替無摻雜的GaN 阻擋層，在900A/cm2電流密度下（相當(dāng)于采用9A電流驅(qū)動1mm2芯片），得到最大的外量子效率。作為對比，目前市場上的常見的大功率1mm2的LED芯片的電流密度只有35A/cm2。最近，該大學(xué)公開了他們對大電流驅(qū)動的非極化LED的研發(fā)結(jié)果（見圖1）。

圖１

　　而且，佛吉尼亞大學(xué)還發(fā)現(xiàn)，對于電流在P-GaN里橫向流動，即，橫向結(jié)構(gòu)的LED芯片，電流擁塞會造成額外的量子效率下降。

(B) 芯片層面（詳見“中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展年鑒（2008））：必須滿足下面條件：有效的向LED芯片引入大電流的方法，電流分布均勻，沒有電流擁塞，芯片的散熱性能優(yōu)良。

　　3維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片比較容易滿足上述的條件，一款3維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的電極如下圖所示：

　　在上圖中，有4個條形電極，因此，有4個電流引入點，即，電流從N金屬分別通過4個電流引入點流入4個條形電極，并進而流入LED薄膜，從每一個電流引入點引入的電流等于總電流的1/4。因此，在電流引入點附近的電流密度較小，不容易在電流引入點的附近產(chǎn)生電流擁塞。對于更大的電流，可以采用多個條形電極，而不會有太多的擋光。

　　3維垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片在把大電流引入芯片方面具有優(yōu)勢。

　?。–）封裝層面：必須把大電流產(chǎn)生的熱量有效的散掉。

　　總之，為了盡快的推進LED照明的進程，并滿足LED照明對LED芯片的需求，一方面要考慮到芯片設(shè)備廠和原材料廠的擴產(chǎn)的速度，另一方面要用盡量少的投資增加LED芯片的產(chǎn)能，采用大電流驅(qū)動的芯片能更好的滿足這兩方面的需求，而3維垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片更適合大電流驅(qū)動！