1. 背景
目前LED光源器件的總體發展概況：硅襯底LED近年發展及對LED光源器件產業的影響。
LED產業在過去近10年的發展突飛猛進，LED光源器件的性能呈臺階式上升且成本在不斷下降，大部分光源領域基本上都被LED所取代。LED作為第四代光源，已經廣泛應用在戶內外照明、汽車照明、液晶背光、景觀照明、移動照明等領域。隨著人們消費理念的升級，在一些特殊照明領域，高品質光源逐漸顯現出競爭力。高品質光源的特點是：發光角度小、光斑均勻且照度高。硅襯底LED因單面出光、方向性好、光品質好等特點在高品質光源市場受到不少關注。
那么，目前硅襯底LED技術、市場現狀以及未來發展趨勢究竟如何呢?
2. 概述目前硅襯底LED的整體技術現狀
在硅襯底上生長GaN材料面臨著兩大技術挑戰。第一，硅襯底和GaN之間高達~17%的晶格失配使得 GaN材料內部位錯密度偏高，影響發光效率;第二，硅襯底和GaN之間高達~54%的熱失配，使得 GaN薄膜在高溫生長完降至室溫后容易龜裂，影響生產良率。因此，硅襯底和GaN薄膜之間的緩沖層生長極其重要，緩沖層起到降低GaN內部的位錯密度、緩解GaN龜裂的作用。很大程度上，緩沖層的技術水平決定了LED的內量子效率和生產良率，是硅襯底LED 的重點和難點。截至目前，經過產業界、學術界各方巨資研發投入，這個技術難關已經基本被攻克。
硅襯底會強烈吸收可見光，因此GaN薄膜必須轉移至另一個襯底上，轉移之前在GaN薄膜和另一個襯底之間插入一層高反射率的反射鏡，使得GaN發出的光不被襯底吸收。經襯底轉移后的LED結構在業界稱為薄膜(Thin-Flim)芯片。薄膜芯片電流擴散、熱傳導和光斑均勻性等方面相比傳統正裝結構芯片有優勢。
3. 硅襯底LED優勢
技術上主要表現在：襯底材料成本低;器件散熱性好、壽命長;封裝工藝簡單，易于實現自動化生產;可用于大尺寸外延，提高生產效率，降低綜合成本。
晶能光電生產的硅襯底LED技術芯片具有如下四大優勢：
(一)具有原創技術產權：產品可銷往國際市場，不受國際專利限制;
(二)具有優良的性能：器件散熱性好、產品抗靜電性能好，壽命長，可承受的電流密度高;
(三)器件封裝工藝簡單：芯片為上下電極，單引線垂直結構，簡單化了封裝工藝，節約了封裝成本;
(四)在方向光和光品質等方面具有明顯的特點和優勢。
基于Si襯底芯片特性的封裝技術特點：
1：結合Si襯底芯片背鍍金錫工藝，封裝中采用金錫共晶工藝，解決了從芯片到基板的散熱瓶頸;
2：采用氧化鋁、氮化鋁陶瓷底板，將芯片推向更高的功率;
3：利用Si襯底芯片具有的單面發光，方向性光強，成功開發了在wafer片上涂覆熒光粉技術，實現了白光芯片。將此白光芯片封裝成燈珠，此燈珠具有顏色一致性好，光斑均勻，非常適合移動照明市場;
4：因Si襯底具有吸光特性，為了解決此問題，將在芯片周圍圍上特殊的白膠，提升亮度;
5： 根據不同的芯片尺寸，設計不同的lens，使產品亮度性能最大化;
6：開發了新一代的熒光膜片技術，優化了產品光斑、色區命中率及降低成本。
4. 概述目前硅襯底LED的整體應用現狀和市場概況
硅襯底LED是垂直結構，電流分布均勻且擴散快，適合大功率應用。由于是單面出光，方向性好，光品質好，所以特別適合汽車照明、探照燈、礦燈等移動照明、手機閃光燈以及光品質要求比較高的高端照明領域。
晶能光電硅襯底LED技術和工藝已然成熟，在硅襯底藍光LED芯片領域繼續保持領先優勢的基礎上，產品不斷延伸至性能更高、附加值更高的白光LED芯片、LED手機閃光燈、LED汽車大燈、LED路燈、LED背光等需要方向光、高品質出光的照明領域，逐步確立了硅襯底LED芯片在細分行業的優勢地位。
移動照明
移動照明市場所用的產品主要是利用Si襯底直涂白光芯片和陶瓷底板等物料，再利用精密的模具在底板上壓膜一個設計好的lens，擴大出光率。根據不同的產品功率，可選擇不同白光芯片尺寸和底板材質、尺寸來配合，通常有芯片有36mil、45mil、55mil、70mil 等，底板有氧化鋁、氮化鋁之分。此類產品主要是要求照度、光斑均勻。在礦燈，手電等移動照明用燈領域，燈珠的銷量居全球前列。
手機閃光燈
手機閃光燈市場所用的產品主要是利用Si襯底藍光芯片和陶瓷底板尺寸為2.0x1.6，并利用靜電噴涂工藝、特制的白膠、壓膜膠等重要工藝做成的。此類產品非常適合用在手機閃光燈上，主要是除了在同等流明值下，中心照度比傳統產品(藍寶石襯底)高5%左右，且發光角度小外，另將在壓膜層里添置擴散粉，使發光顏色更加均勻 ( 如下圖)。
目前，已大量應用在華為、中興、聯想、小米、魅族、360等品牌手機應用廠家，平均每個月有1000萬臺智能手機在使用晶能光電的 LED手機閃光燈，出貨量居國內前列。
后裝車燈市場
后裝車燈市場主要是追求亮度高，耐高溫、通大電流等，所以用的產品主要是利用大尺寸Si襯底藍光芯片與氮化鋁陶瓷底板(尺寸為 5.0x5.0)金錫共晶，并利用貼熒光膜或噴涂技術等重要工藝做成的。如公司產品XM2采用Si襯底80mil藍光芯片，與5.0x5.0氮化鋁陶瓷底板金錫共晶之后，在芯片上貼一層厚度為50um熒光膜，再壓一個lens，最后進行測試、分選、貼帶、入庫。此產品最大可通 3A電流，亮度>1000lm@3A下。再如公司產品HP-50，采用4顆Si 襯底56mil藍光芯片，與5.0x5.0氮化鋁陶瓷底板金錫共晶之后，在底板上噴一層熒光粉，并芯片在周圍圍上白膠，最后壓一個特別的lens來提供亮度。此產品可以兼顧電壓6V或12V，最大可通3A電流，亮度可達2000lm。
在工業固化領域，傳統的UV光源中的汞元素會嚴重污染環境，用UV LED取代汞燈的趨勢已經不可逆轉，硅襯底LED也在相應的擴大該領域的市場應用。
5. 目前硅襯底LED尚存在的技術壁壘及攻克方法
如前文所述，盡管在硅襯底上生長GaN之前先生長緩沖層，然而由于硅襯底和GaN材料之間的晶格失配實在太大，導致GaN內部的位錯密度仍然偏高。這些位錯是電子和空穴的非輻射復合中心，影響LED的內量子效率。尤其是在高溫下，非輻射復合幾率顯著增大。為了攻克這個技術壁壘，需要從設備制造、襯底制備和生長工藝等方面多管齊下，找到一套解決硅襯底LED的最有效方案。
6. 硅襯底LED的發展趨勢預測
提高光效，降低成本或者說性價比是LED行業永恒不變的主題。硅襯底薄膜芯片必須封裝之后才能應用，封裝的成本占據了LED應用成本較大一部分。跳過傳統封裝，直接在晶圓上做好封裝器件，也就是說在晶圓上做芯片級封裝(chip scale Package， CSP)可以跳過封裝端，直接從芯片端進入應用端，可以進一步降低LED的應用成本。CSP是硅上GaN基LED的前景之一。國際大公司如東芝和三星都報導過用硅襯底LED做CSP，相信不久的將來就可以在市場上看到相關產品。
近幾年，LED行業的另一個熱點是Micro LED即微米級LED。Micro LED的尺寸在幾微米到幾十微米，幾乎和外延生長的GaN薄膜厚度在一個級別。在微米級的尺寸，GaN材料可以不需要支撐，直接做成垂直結構的體GaNLED。也就是說在制備Micro LED的過程中，生長GaN的襯底是必須去除的。硅襯底LED的一個天然優勢是硅襯底僅通過化學濕法腐蝕就可以去除，去除襯底的過程中不會對GaN材料有任何沖擊，可以確保良率和可靠性。從這個角度來看，硅襯底LED技術在Micro LED領域勢必會有一席之地。
7. 典型企業簡介：晶能光電
晶能光電自成立以來，一直從事硅襯底LED外延材料、芯片及器件、下游應用產品的研發、生產、銷售等服務，于全球率先實現硅襯底LED芯片的量產，具有材料成本低、性能好、可大尺寸規模化制造等優勢。其自主創新的硅襯底LED技術榮獲2015年國家技術發明獎一等獎，打破了日本藍寶石襯底技術和美國碳化硅襯底技術壟斷半導體照明技術的局面，已成為全球第三條藍光LED技術路線。這項技術的創新從源頭上避開了國外的專利壁壘，現在已經申請或擁有340多項專利，包含國際專利47項，分布在美國、歐洲和日本韓國等主要工業國家，有效抵御了國外專利訴訟，建立了具有自主知識產權的產品品牌，打開了LED產品出海口的通路，為全球消費者提供全方位的高端LED照明產品和解決方案。
梁伏波 晶能光電 ( 江西 ) 有限公司 總經理
《2018阿拉丁照明產業調研白皮書》LED光源器件 顧問
