2017年03月22日

近几年,我国LED技术发展迅速,取得外延片、衬底及芯片核心技术的突破性进展。那么,关于LED外延片、衬底、芯片,其产业发展道路如何?该持何种投资心态?本文或许对您有帮助。


从LED上游看,集中度加速提升,形成较高行业壁垒,扼制无序产能扩张;同时下游应用创新驱动产业链发展。从目前情况看,LED照明加速渗透,LED照明智能化、网络化推动小间距显示市场加速爆发,成为新一轮LED行业增长的主要驱动力。


LED外延片


外延片处于LED产业链中的上游环节,包括原材料、衬底材料及设备这三大领域。在LED外延片生长、芯片、芯片封装这三个环节中,外延片生长投资要占到70%,外延片成本要占到封装成品的70%。


外延片生长主要依靠生长工艺和设备。制造外延片的主流方法是采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD),但即使是这种“最经济”的方法,其设备制造难度也非常大。国际上只有德国、美国、英国、日本等少数国家中数量非常有限的企业可以进行商业化生产。


外延片材料主要是硅,硅外延片也是当前外延片的主体。世界多晶硅、硅单晶及硅片等外延片制造材料几乎全部为信越(本部在日本,马来西亚、美国、英国)、MEMC(本部在美国,意大利、日本、韩国、马来西亚、台湾)、Wacker(本部在德国,美国、新加坡)、三菱(本部在日本,美国、印度尼西亚)等公司所控制,这四家公司的市场占有率近70%。这些公司除了本部之外,都在其它国家和地区设厂,是跨国生产与经营的公司。


国内外延片市场的基本格局是外资企业产品技术占据主导,本土厂商逐步崛起。近年来,下游应用市场的繁荣带动了我国LED产业迅猛发展,外延片市场也迎来发展良机。国内LED外延片产能快速提升,技术水平不断进步,产品已开始进入中高档次。


为进一步完善LED产业链,“十二五”期间各级政府继续加强对上游外延片领域基础研究的投入,中下游企业也在积极向上游拓展。外延片作为LED核心器件中的前端高技术产品,我国在这一领域的企业竞争目前仍处于“蓝海”阶段,国内LED外延片市场发展前景乐观。


LED衬底


目前,能作为LED衬底材料包括A1203、Sic、Si、GaN、GaAs、Zno等,但目前商用最广泛的是A1203、Sic,其它诸如GaN、Si、ZnO衬底还处于研发阶段,离产业化还有一段距离。


LED衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料,需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术,衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。因此,衬底材料的技术路线会影响整个产业的技术路线,是各个技术环节的关键。


Si衬底


在硅衬底上制备发光二极体是本领域中梦寐以求的一件事情,因为一旦技术获得突破,外延片生长成本和器件加工成本将大幅度下降。


Si片作为GaN材料的衬底有许多优点,如晶体品质高,尺寸大,成本低,易加工,良好的导电性、导热性和热稳定性等。然而,由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配,以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅,所以在Si 衬底上很难得到无龟裂及器件级品质的GaN材料。另外,由于硅衬底对光的吸收严重,LED出光效率低。


LED芯片


LED芯片结构设计主要是考虑如何提高外量子效率,即芯片的光萃取效率,提高芯片散热性能以及在降低成本上进行采用新结构新工艺。芯片有很多种新结构,例如六面体发光芯片、DA芯片结构等。


据机构测算,到2017年年底,LED芯片有效产能约8328万片,需求约9235万片。业内人士认为,LED芯片产能仍低于需求。考虑到2017年需求稳定增长,LED芯片将处于供不应求的状态。而随着LED芯片供不应求,相应地LED外延片也将“水涨船高”。



由于经济的全球化,LED产业的发展也在逐步形成国际分工,国际LED产业链企业数量分布梯度明显,产业链上游的外延生长技术是半导体照明产业技术含量最高、对最终产品品质、成本控制影响最大的环节。


LED产业的核心技术之一是外延生长技术,其核心是在MOCVD设备(俗称外延炉)中生长出一层厚度仅有几微米的化合物半导体外延层。MOCVD设备是LED产业生产过程中最重要的设备,其价值占整个产业链(外延片—芯片—封装和应用)的70%。


目前,作为上、中游外延片和芯片技术,国际上有严格的技术壁垒,只有美、日、德等国的少数企业掌握。目前,世界范围内能够生产MOCVD设备的企业,主要有德国爱思强(Aixtron,70%国际市场占有率)、美国维易科(Veeco,20%国际市场占有率)、日本大阳酸素(Sanso,7%国际市场占有率)等。


当前,国际上Gan研究和生产最成功的企业是日本日亚公司(Nichia)和丰田合成(Toyota Gosei),均使用自行研发的MOCVD设备。韩国企业在政府的支持下,已通过引进英国Thomas Swan的技术,仿制出MOCVD设备并开始销售。目前,行业内最领先的日本企业对技术严格封锁,其中对Gan材料研究最成功的日本日亚化学和丰田合成(Toyoda Gosei)的MOCVD设备则根本不对外销售,另一家技术比较成熟的日本酸素(Sanso)公司的设备则只限于日本境内出售。


技术上,日本、美国、德国的公司掌握了目前国际上最先进的高亮度LED照明外延生长技术,并且各有不同的特点,但都利用各自原创性核心专利在世界范围内设立了专利网,仅与Gan相关的专利就有4000多项,美国、日本Gan蓝、绿光LED照明专利有500多项。在外延技术上,目前大量的专利集中在对Gan基LED的讨论,缓冲层的出现使得在衬底材料上的Gan生长质量更加优良。


世界LED外延厂商生产情况


世界各厂商对LED外延关键环节的控制


我国LED产业还有很大的推进空间,要加大对LED的研发力度,掌握LED核心技术,突破国外专利制约,进一步拓展国内外半导体照明市场,研发开拓性的创新成果,扩大我国LED产业规模。一旦产业化,将是颠覆的技术突破。


文章综合自:网络、期刊《半导体信息》