芯片厂扩产与大电流驱动LED芯片

　　1. 背景：芯片厂扩产

　　按照晶元公司的预测，（1）如果led液晶电视占液晶电视市场份额的10%，则目前全世界的LED芯片厂的产能将供不应求（这一预测现在已被证实）；（2）照明市场更大，如果全世界的白炽灯100%的被LED灯替换，则LED照明对LED芯片的需求是LED液晶电视对LED芯片的需求的100倍，即使10%的白炽灯被LED灯替换，对LED芯片的需求也是LED液晶电视需求的10倍。比较乐观的估计是，在未来1至2年内，LED将大举进入照明。

　　因此，一方面，各个LED芯片公司都在扩产，另一方面，其他资金也大量进入LED芯片产业。例如，韩国的三星公司采购了大量的外延设备MOCVD。

　　瓶颈在于，外延设备厂的扩产速度有限（据报道，世界两大MOCVD生产厂家预计到今年底，产能增加1倍），蓝宝石衬底厂的扩产速度有限（目前，合格的蓝宝石衬底的生产厂家的数量屈指可数）。外延设备厂和蓝宝石衬底厂的扩产速度远远达不到LED照明对LED芯片的需求的增加的速度。其他的芯片设备和原材料的供应都会出现紧张。

　　如何在未来的几年内扩大设备厂的产能和原材料厂的产能以满足LED照明对LED芯片的需求呢？

　　2. 一种缓解的方法：大电流驱动的LED芯片

　　缓解的方法之一是：研发并在1至2年内生产可以采用大电流驱动的LED芯片，使得一个芯片发出的光通量相当于数个传统的LED芯片的光通量。

　　大电流驱动的LED芯片的优势如下：

　　（1）相当于LED芯片的价格降低到原有芯片的几分之一，更有利于LED照明的推广。
　　（2）相当于现有产能提高了几倍，而没有增加极其昂贵的设备投资，降低风险。
　　（3）提高了新扩产的设备的生产能力。

　　为了更直观的理解这一缓解的方法，引入两种芯片产能的定义：

　　（A）“芯片产能”。

　　（B）“lm产能”，即，采用lm数量来计算芯片厂的产能，因为照明灯具的要求是采用lm（或lux）数来计算，而不是灯具所使用的芯片的数量来计算，这有些像发电厂的产能是按发电量计算的一样。

　　例如，一个芯片厂的“芯片产能”是：月产100 kk的45mil芯片。

　　如果每个芯片封装后在350mA驱动下发出100 lm的光，可以说该厂的“lm产能”是10 kkk lm。但是，如果每个芯片封装后在更大电流驱动下发出300 lm的光，可以说该厂的“lm产能”是30 kkk lm。然而，按照350mA驱动的100 lm的LED芯片，为了达到30 kkk lm的“lm产能”，则需要的“芯片产能”是：月产300 kk的350mA驱动的45mil芯片。

　　对于上面的例子，这相当于：

　　（1）大电流驱动的芯片的每lm光通量的成本减低到原来的1/3；
　　（2）芯片厂家的“lm产能”提高了3倍，但是，芯片厂家的“芯片产能”没有增加，因而，没有增加数目巨大的设备投资，节省了扩产月产200 kk 的“芯片产能”的巨额投资；
　　（3）也节省了月产200 kk的350mA驱动的芯片的外延生长和芯片工艺的原材料费用。

　　即缓解了对设备厂商的压力，也缓解了对原材料（包括蓝宝石衬底）的需求。

　　如果能采用更大的电流（例如，数安培量级的电流）驱动，则优势更大。

　　韩国的三星公司采购了大量的外延设备这一消息被多次引用，但是，没有引起广泛注意的是，三星公司正在与他人合作研发大电流驱动LED芯片，并且已在外延层面进行了专利布局。届时，不但三星公司的外延设备的“芯片产能”大的惊人，其“lm产能”则更是惊人——数倍于350mA驱动的LED芯片的“lm产能”。没有大电流驱动芯片的技术的厂家则更难望其项背。

　　3. 大电流驱动的LED芯片的发展

　　据透露，Cree公司的1.5A电流驱动的芯片正在进行老化试验，截至目前，6000小时只衰减7%。

　　我们知道：可以用大电流驱动的LED芯片必须在：（A）外延层面、（B）芯片层面、（C）封装层面，满足下面的条件：

　　（A）外延层面：关键的问题是要解决在大电流驱动时芯片的量子效率下降（efficiency droop）问题。一些公司正在研发解决效率下降的方法。例如，美国佛吉尼亚大学公开了试验结果：采用掺杂镁的InGaN 阻挡层代替无掺杂的GaN 阻挡层，在900A/cm2电流密度下（相当于采用9A电流驱动1mm2芯片），得到最大的外量子效率。作为对比，目前市场上的常见的大功率1mm2的LED芯片的电流密度只有35A/cm2。最近，该大学公开了他们对大电流驱动的非极化LED的研发结果（见图1）。

图１

　　而且，佛吉尼亚大学还发现，对于电流在P-GaN里横向流动，即，横向结构的LED芯片，电流拥塞会造成额外的量子效率下降。

(B) 芯片层面（详见“中国半导体照明产业发展年鉴（2008））：必须满足下面条件：有效的向LED芯片引入大电流的方法，电流分布均匀，没有电流拥塞，芯片的散热性能优良。

　　3维垂直结构LED芯片比较容易满足上述的条件，一款3维垂直结构LED芯片的电极如下图所示：

　　在上图中，有4个条形电极，因此，有4个电流引入点，即，电流从N金属分别通过4个电流引入点流入4个条形电极，并进而流入LED薄膜，从每一个电流引入点引入的电流等于总电流的1/4。因此，在电流引入点附近的电流密度较小，不容易在电流引入点的附近产生电流拥塞。对于更大的电流，可以采用多个条形电极，而不会有太多的挡光。

　　3维垂直结构的LED芯片在把大电流引入芯片方面具有优势。

　　（C）封装层面：必须把大电流产生的热量有效的散掉。

　　总之，为了尽快的推进LED照明的进程，并满足LED照明对LED芯片的需求，一方面要考虑到芯片设备厂和原材料厂的扩产的速度，另一方面要用尽量少的投资增加LED芯片的产能，采用大电流驱动的芯片能更好的满足这两方面的需求，而3维垂直结构的LED芯片更适合大电流驱动！