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芯片厂扩产与大电流驱动LED芯片

作者:时间:2011-03-13来源:网络收藏

  1. 背景: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%的被替换,则照明对LED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!



关键词: LED 芯片 驱动

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