大尺寸硅衬底氮化镓基LED的研发及产业化

目前国内外市场上LED半导体晶片的制备，大多数都采用蓝宝石或碳化硅衬底来外延生长宽带隙半导体氮化镓（GaN）。硅衬底具有晶圆尺寸大、成本低廉、易剥离等优点，硅与氮化镓半导体的高质量结合一直是学术界和工业界的一个梦想，但因二者的晶格常数和热膨胀系数的巨大失配而引起的缺陷密度高和裂纹等技术问题长期以来阻碍着该领域的发展。这一困扰学术界和工业界十余年的世界难题，终于在一位年轻的科学家孙钱博士这里找到了答案。

孙钱，入选中组部首批国家“青年千人计划”，现任中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员、博导，兼任晶能光电有限公司的硅衬底LED研发副总裁。他告诉记者，蓝宝石衬底因其外延工艺成熟，是目前市场上的主流技术路线。但蓝宝石晶圆的尺寸有限，很难做到8 12寸，散热性差，且较难剥离衬底以实现垂直结构大功率LED。此外，基于蓝宝石衬底的LED的核心技术专利网极为严密，欧美、日韩等地的LED厂商对中国进行专利授权封锁，遏制我国LED产品进入国际市场。蓝宝石做衬底的众多劣势，导致照明产品无法普及到住宅和商业建筑等领域。而碳化硅衬底及其LED的制备技术已被美国的科锐公司垄断，国内的相关技术研发尚处于初级阶段。

孙钱说，硅做衬底具有原料成本低廉、晶圆尺寸大、散热性能好、衬底剥夺容易，以及具有我国自主知识产权、可利用IC行业折旧的设备工艺线等优点。但硅衬底上外延生长高质量氮化镓有着诸多技术难点，为了克服晶格常数和热膨胀系数失配等技术难题，国内外专家尝试了AlN插入层技术、SOI柔性衬底、多孔硅衬底以及对硅衬底表面进行刻槽等多种方法在硅衬底上外延生长氮化镓薄膜，但是都存在各种各样的问题。孙钱仔细比较研究前人的实验结果，创新提出并在实验上利用多层AlGaN缓冲层技术，在高温外延生长时积累足够的压应力来抵消降温过程中因热膨胀系数的差异而引起的张应力，从而在硅衬底上真正实现了无裂纹的高质量氮化镓薄膜，并具有很好的重复性和稳定性。随后他进一步研发出适合硅上氮化镓的多量子阱发光有源区和PN结掺杂，最终开拓出了硅衬底氮化镓基LED的一条真正可以产业化的技术路线。

2011年8月，美国硅谷的普瑞光电公司发布新闻称在8英寸硅衬底上研发出高光效氮化镓基LED，取得了与蓝宝石及碳化硅衬底上顶尖水平的LED器件性能相媲美的发光效率160流明/瓦。该技术突破在工业界、投资界及学术界引起巨大反响，掀起了国际半导体企业巨头（包括韩国三星、LG、日本东芝、奥斯朗、飞利浦、台积电、美国Micron等）对硅衬底上氮化镓基LED的研究热潮。这项技术的研发突破，孙钱花了不到1年时间。

2011年底，孙钱回国，与晶能光电有限公司进行深入的产学研合作，开发出新一代应力控制层和LED外延及芯片工艺技术，并且成功实现了2英寸硅衬底氮化镓基大功率LED芯片的量产，面积为1mm2的芯片在350mA下，生产平均光效达到120流明/瓦（2012年底的研发成果已突破140流明/瓦），产品良率在70%至85%之间。

孙钱表示，与传统的蓝宝石和碳化硅衬底LED技术相比，硅衬底氮化镓基LED的成本优势在大尺寸晶圆下将更加突出（成本有望下降50%以上）。第一，在晶圆尺寸增大到6英寸以上时，硅衬底材料价格只有蓝宝石平片衬底的1/10左右；第二，外延从目前主流的2英寸升级到6英寸晶圆，有用半导体面积增加近50%，在几乎不增加气体及MO源等原材料的基础上可增产近50%的LED芯片；第三，当晶圆尺寸增大到6英寸以上时，可大幅度缩短芯片工艺时间而提高生产效率，扩大产能，降低每个芯片所分摊的设备折旧和人工成本；第四，可利用已完全或部分折旧的6英寸硅半导体工艺线来制备硅衬底LED芯片。此外，硅衬底LED为垂直结构薄膜芯片，具有散热好、单面出光且均匀等优点，极为适合晶圆级的荧光粉直涂和二次光学的匹配，进而可大幅度降低下游封装及应用产业的制造成本，推进半导体照明时代的全面到来。（消息来源：中国建设报）

目前国内外市场上LED半导体晶片的制备，大多数都采用蓝宝石或碳化硅衬底来外延生长宽带隙半导体氮化镓（GaN）。硅衬底具有晶圆尺寸大、成本低廉、易剥离等优点，硅与氮化镓半导体的高质量结合一直是学术界和工业界的一个梦想，但因二者的晶格常数和热膨胀系数的巨大失配而引起的缺陷密度高和裂纹等技术问题长期以来阻碍着该领域的发展。这一困扰学术界和工业界十余年的世界难题，终于在一位年轻的科学家孙钱博士这里找到了答案。

孙钱，入选中组部首批国家“青年千人计划”，现任中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员、博导，兼任晶能光电有限公司的硅衬底LED研发副总裁。他告诉记者，蓝宝石衬底因其外延工艺成熟，是目前市场上的主流技术路线。但蓝宝石晶圆的尺寸有限，很难做到8 12寸，散热性差，且较难剥离衬底以实现垂直结构大功率LED。此外，基于蓝宝石衬底的LED的核心技术专利网极为严密，欧美、日韩等地的LED厂商对中国进行专利授权封锁，遏制我国LED产品进入国际市场。蓝宝石做衬底的众多劣势，导致照明产品无法普及到住宅和商业建筑等领域。而碳化硅衬底及其LED的制备技术已被美国的科锐公司垄断，国内的相关技术研发尚处于初级阶段。

孙钱说，硅做衬底具有原料成本低廉、晶圆尺寸大、散热性能好、衬底剥夺容易，以及具有我国自主知识产权、可利用IC行业折旧的设备工艺线等优点。但硅衬底上外延生长高质量氮化镓有着诸多技术难点，为了克服晶格常数和热膨胀系数失配等技术难题，国内外专家尝试了AlN插入层技术、SOI柔性衬底、多孔硅衬底以及对硅衬底表面进行刻槽等多种方法在硅衬底上外延生长氮化镓薄膜，但是都存在各种各样的问题。孙钱仔细比较研究前人的实验结果，创新提出并在实验上利用多层AlGaN缓冲层技术，在高温外延生长时积累足够的压应力来抵消降温过程中因热膨胀系数的差异而引起的张应力，从而在硅衬底上真正实现了无裂纹的高质量氮化镓薄膜，并具有很好的重复性和稳定性。随后他进一步研发出适合硅上氮化镓的多量子阱发光有源区和PN结掺杂，最终开拓出了硅衬底氮化镓基LED的一条真正可以产业化的技术路线。

2011年8月，美国硅谷的普瑞光电公司发布新闻称在8英寸硅衬底上研发出高光效氮化镓基LED，取得了与蓝宝石及碳化硅衬底上顶尖水平的LED器件性能相媲美的发光效率160流明/瓦。该技术突破在工业界、投资界及学术界引起巨大反响，掀起了国际半导体企业巨头（包括韩国三星、LG、日本东芝、奥斯朗、飞利浦、台积电、美国Micron等）对硅衬底上氮化镓基LED的研究热潮。这项技术的研发突破，孙钱花了不到1年时间。

2011年底，孙钱回国，与晶能光电有限公司进行深入的产学研合作，开发出新一代应力控制层和LED外延及芯片工艺技术，并且成功实现了2英寸硅衬底氮化镓基大功率LED芯片的量产，面积为1mm2的芯片在350mA下，生产平均光效达到120流明/瓦（2012年底的研发成果已突破140流明/瓦），产品良率在70%至85%之间。

孙钱表示，与传统的蓝宝石和碳化硅衬底LED技术相比，硅衬底氮化镓基LED的成本优势在大尺寸晶圆下将更加突出（成本有望下降50%以上）。第一，在晶圆尺寸增大到6英寸以上时，硅衬底材料价格只有蓝宝石平片衬底的1/10左右；第二，外延从目前主流的2英寸升级到6英寸晶圆，有用半导体面积增加近50%，在几乎不增加气体及MO源等原材料的基础上可增产近50%的LED芯片；第三，当晶圆尺寸增大到6英寸以上时，可大幅度缩短芯片工艺时间而提高生产效率，扩大产能，降低每个芯片所分摊的设备折旧和人工成本；第四，可利用已完全或部分折旧的6英寸硅半导体工艺线来制备硅衬底LED芯片。此外，硅衬底LED为垂直结构薄膜芯片，具有散热好、单面出光且均匀等优点，极为适合晶圆级的荧光粉直涂和二次光学的匹配，进而可大幅度降低下游封装及应用产业的制造成本，推进半导体照明时代的全面到来。（消息来源：中国建设报）

材料价工程建材价江苏省工程建材价苏州市工程建材价