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LED 芯片技術及國內外差異分析

  芯片是 LED 的核心部件,國內外廠家眾多,但芯片沒有統一的分類標準。若按功率分類,則有大功率和中小功率之分;若按顏色分類,則主要為紅色、綠色、藍色三種;若按形狀分類,一般分為方片、圓片兩種;若按電壓分類,則分為低壓直流芯片和高壓直流芯片。國內外芯片技術對比方面,國外芯片技術新,國內芯片重產量不重技術。
襯底材料和晶圓生長技術是 LED 芯片技術的關鍵所在。
  目前,LED芯片技術的發展關鍵在于襯底材料和晶圓生長技術。除了傳統的藍寶石、硅(Si)、碳化硅(SiC)襯底材料以外,氧化鋅(ZnO)和氮化鎵(GaN)等也是當前 LED 芯片研究的焦點。目前,市面上大多采用藍寶石或碳化硅襯底來外延生長寬帶隙半導體氮化鎵,這兩種材料價格都非常昂貴,且都為國外大企業所壟斷,而硅襯底的價格比藍寶石和碳化硅襯底便宜得多,可制作出尺寸更大的襯底,提高 MOCVD 的利用率,從而提高管芯產率。所以,為突破國際專利壁壘,中國研究機構和 LED 企業從硅襯底材料著手研究。

 


  硅與氮化鎵的高度結合是 LED 芯片的技術難點,兩者的晶格常數和熱膨脹系數的巨大失配引起的缺陷密度高和裂紋等技術問題一直制約著芯片領域的發展。
  從襯底角度看,主流襯底依然是藍寶石和碳化硅,但硅已經成為芯片領域今后的發展趨勢。對于價格戰相對嚴重的國內市場來說,硅襯底更有成本和價格優勢:硅襯底是導電襯底,不但可以減少管芯面積,還可以省去對氮化鎵外延層的干法腐蝕步驟,加之硅的硬度比藍寶石和碳化硅低,在加工方面也可以降低成本。
  目前 LED 產業大多以 2 或 4 英寸的藍寶石基板為主,如能采用硅基氮化鎵技術,至少可節省 75%的原料成本。據日本三墾電氣公司估計,使用硅襯底制作大尺寸藍光氮化鎵 LED 的制造成本將比藍寶石襯底和碳化硅襯底低 90% 。
  在國外,歐司朗、普瑞、三墾等一流企業已經在大尺寸硅襯底氮化鎵基 LED 研究上取得突破,飛利浦、三星、LG、東芝等國際 LED 巨頭也掀起了一股硅襯底上氮化鎵基 LED 的研究熱潮。其中,在 2011 年,美國普瑞在 8 英寸硅襯底上研發出高光效氮化鎵基 LED,取得了與藍寶石及碳化硅襯底上頂尖水平的 LED 器件性能相媲美的發光效率 160lm/W;在 2012 年,歐司朗成功生產出 6 英寸硅襯底氮化鎵基 LED。
  國內 LED 芯片企業的技術突破點主要集中在提高產能和大尺寸藍寶石晶體生長技術兩方面,除了晶能光電在 2011 年成功實現 2 英寸硅襯底氮化鎵基大功率 LED 芯片的量產外,中國芯片企業在硅襯底氮化鎵基LED 研究上無大的突破。

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