LED衬底、外延、芯片技术将如何突破？

摘要： 总体来看,LED技术的发展趋势可以概括为：更高光效、更高可靠性、更低成本、更智能化、以及向新应用领域（如Micro/Mini LED、深紫外、中红外）的拓展， 衬底技术衬底是外延生...

总体来看,LED技术的发展趋势可以概括为：更高光效、更高可靠性、更低成本、更智能化、以及向新应用领域（如Micro/Mini LED、深紫外、中红外）的拓展。

衬底技术

衬底是外延生长的“地基”，其质量、成本和尺寸直接决定了LED芯片的性能和制造成本，衬底技术的发展趋势主要围绕以下几个方向：

大尺寸化

这是衬底技术最核心、最明确的发展趋势，旨在降低单位芯片的制造成本。

• 现状与挑战：主流的蓝宝石衬底正在从4英寸向6英寸过渡，部分领先厂商已开始量产8英寸碳化硅衬底，大尺寸化带来了挑战：晶体生长难度增加、缺陷控制更难、切割和加工良率下降。
• 发展趋势：
  • 蓝宝石：加速向6英寸普及，并积极探索8英寸的可行性，通过优化生长工艺（如HVPE技术）来降低成本和提高良率。
  • 碳化硅：凭借其在高压、高温、高功率领域的优势，8英寸SiC衬底将是未来的主流，尤其是在新能源汽车、快充、光伏逆变器等高增长市场。
  • 氮化镓：由于GaN体单晶生长难度极大且成本高昂，其大尺寸化进程相对缓慢，主要应用于高端的射频和功率器件，短期内难以在LED领域成为主流衬底。

高质量、低成本化

衬底的质量（如缺陷密度、晶体完整性）直接影响外延层的质量和芯片的光电性能。

• 发展趋势：
  • 缺陷控制：通过优化晶体生长技术（如PVT法、HVPE法），进一步降低衬底的位错密度，提升晶体质量。
  • 成本降低：除了大尺寸化带来的规模效应，还在探索新的低成本生长技术。氢化物气相外延被认为是未来低成本制造GaN体单晶衬底的有力技术路线。
  • 图形化衬底：虽然这是衬底加工技术，但它已成为提升外延质量的关键，通过在衬底上制备周期性或非周期性的微结构（如PSS），可以增加外延层的表面积，有效抑制有源区缺陷，并促进光子逸出，从而大幅提升LED的内量子效率和光提取效率。

新型衬底材料的探索

为了突破传统材料的性能瓶颈,研究人员正在探索新型衬底。

• 发展趋势：
  • 氧化镓 (β-Ga₂O₃)：这是一种超宽禁带半导体，具有极高的临界击穿场强和优异的耐高温、抗辐射性能，它在深紫外LED和高功率、高压电子器件领域展现出巨大潜力，是未来极具竞争力的新型衬底材料。
  • 金刚石：拥有自然界最高的热导率和极宽的禁带宽度，是制作高功率、高亮度LED和紫外LED的理想散热衬底，可以有效解决芯片的散热问题。

衬底技术小结：大尺寸化是降本增效的主线，高质量是提升性能的基础，而新型材料的探索则为未来颠覆性的应用打开了大门。

外延技术

外延层是在衬底上生长出的具有特定电学和光学性质的半导体薄膜,是LED的核心发光区，外延技术的发展趋势聚焦于提升发光效率和拓展波长范围。

提升内量子效率

这是外延技术永恒的追求,目标是让注入的电子和空穴复合时，尽可能多地产生光子，而非热量。

• 发展趋势：
  • 多量子阱结构优化：通过调整阱/垒层的材料、厚度、组分和应变，优化载流子的限制能力和辐射复合效率，使用InGaN/AlGaN等新型组合来提高电子和空穴的波函数重叠度。
  • 电子阻挡层优化：设计高效的电子阻挡层，防止电子从有源区泄漏到p型层，提高电子利用率。
  • 无极性/半极性外延：传统c面（极性面）GaN外延存在强烈的量子限制斯塔克效应，导致发光效率下降，在m面（半极性）或a面（无极性）的衬底上外延，可以抑制QCSE，从而大幅提升绿光、黄光等长波长LED的效率，解决“绿光瓶颈”问题。

拓展波长范围

满足不同应用场景的需求。

• 发展趋势：
  • 深紫外LED (UVC, 200-280nm)：主要采用AlGaN材料体系，技术难点在于实现高Al组分下的高质量p型GaN掺杂以及高光效，未来趋势是开发新型缓冲层、优化生长工艺，以提升其杀菌、消毒、光固化等应用的市场渗透率。
  • 红黄光LED：传统的AlInGaP材料体系在红黄光领域效率较高，但成本也高，开发InGaN基红黄光LED是研究热点，因为它可以与蓝绿光LED在同一个工艺平台上制造，便于集成，并能利用成熟的GaN技术，有望打破AlInGaP的成本和效率瓶颈。
  • 中红外LED (3-5μm)：主要基于InAsSb/InAs或GaSb基材料，应用于气体传感、医疗、安防等领域，是未来极具潜力的增长点。

新型外延技术

• 发展趋势：
  • MOCVD技术革新：金属有机化学气相沉积是主流外延技术，发展趋势是更高温、高速率、均匀性更好、控制更精确的MOCVD设备，以及面向Micro LED等新应用的多片机和集成化生长设备。
  • 选择性区域外延：通过掩膜版在特定区域生长GaN，可用于制造Micro LED的像素阵列，或减少缺陷，提升器件性能。

外延技术小结：核心目标是“让光产生得更高效”，通过结构设计、材料创新和工艺优化，不断提升IQE，并突破现有波长范围的限制。

芯片技术

芯片技术是将外延片加工成可发光器件的最终环节,其发展趋势是提升光提取效率、实现集成化和功能化。

提升光提取效率

LED芯片内部产生的光子大部分会因全反射效应被困在芯片内部无法逸出,提升光提取效率是芯片技术最重要的方向。

• 发展趋势：
  • 图形化芯片：在芯片表面制作微米或纳米级别的粗化结构、透镜阵列（如Flip-Chip上的DBR反射镜+微透镜），或采用倒装芯片结构，通过改变光路来减少全反射，显著提升光输出。
  • 垂直结构芯片：与传统的水平结构不同，垂直结构将电流从衬底方向引出，发光面可以不受电极遮挡，极大地增加了有效发光面积，同时散热性能也更好，特别适合大功率和Mini/Micro LED应用。
  • 光子晶体/超表面：利用纳米结构对光进行精确调控，是未来最高效的光提取技术之一，目前仍处于实验室研究阶段。

Mini/Micro LED技术

这是当前LED领域最火热的发展方向,代表着显示技术的未来。

• Mini LED (50-200μm)：作为传统LCD的背光源，可以实现超高对比度、高亮度、高色域的显示效果，技术趋势是COB（Chip on Board）和COG（Chip on Glass）等高密度集成封装技术的成熟和成本下降。
• Micro LED (<50μm)：被视作下一代显示技术的终极形态，具有自发光、高亮度、低功耗、长寿命、快速响应等所有优点，其核心挑战在于巨量转移（将数以亿计的微米级芯片从晶圆精确转移到驱动基板上）和修复技术，以及如何解决因尺寸急剧缩小带来的电流扩展和散热问题。

智能化与集成化

• 发展趋势：
  • 集成化：将LED芯片与驱动电路、传感器、控制芯片等集成在同一基板上，形成“智能像素”或“光引擎”，简化系统设计，提升可靠性。
  • 可见光通信：利用LED的高速开关特性，实现“照明+通信”的双重功能，即Li-Fi技术，这要求LED芯片具有极高的调制带宽，未来会开发专门用于通信的LED芯片结构。
  • 柔性/可穿戴LED：在柔性衬底上制造LED芯片，用于可穿戴设备、生物医疗监测、柔性显示等领域，要求芯片具备良好的弯曲性能和稳定性。

芯片技术小结：核心目标是**“让光出去得更高效、更