芯片廠擴產與大電流驅動LED芯片
摘要： 如何在未來的幾年內擴大設備廠的產能和原材料廠的產能以滿足LED照明對LED芯片的需求呢?
1. 背景：芯片廠擴產
按照晶元公司的預測，(1)如果LED液晶電視占液晶電視市場份額的10%，則目前全世界的LED芯片廠的產能將供不應求(這一預測現在已被證實);(2)照明市場更大，如果全世界的白熾燈100%的被LED燈替換，則LED照明對LED芯片的需求是LED液晶電視對LED芯片的需求的100倍，即使10%的白熾燈被LED燈替換，對LED芯片的需求也是LED液晶電視需求的10倍。比較樂觀的估計是，在未來1至2年內，LED將大舉進入照明。
因此，一方面，各個LED芯片公司都在擴產，另一方面，其他資金也大量進入LED芯片產業。例如，韓國的三星公司采購了大量的外延設備MOCVD。
瓶頸在于，外延設備廠的擴產速度有限(據報道，世界兩大MOCVD生產廠家預計到今年底，產能增加1倍)，藍寶石襯底廠的擴產速度有限(目前，合格的藍寶石襯底的生產廠家的數量屈指可數)。外延設備廠和藍寶石襯底廠的擴產速度遠遠達不到LED照明對LED芯片的需求的增加的速度。其他的芯片設備和原材料的供應都會出現緊張。
如何在未來的幾年內擴大設備廠的產能和原材料廠的產能以滿足LED照明對LED芯片的需求呢?
2. 一種緩解的方法：大電流驅動的LED芯片
緩解的方法之一是：研發并在1至2年內生產可以采用大電流驅動的LED芯片，使得一個芯片發出的光通量相當于數個傳統的LED芯片的光通量。
大電流驅動的LED芯片的優勢如下：
(1)相當于LED芯片的價格降低到原有芯片的幾分之一，更有利于LED照明的推廣。(2)相當于現有產能提高了幾倍，而沒有增加極其昂貴的設備投資，降低風險。(3)提高了新擴產的設備的生產能力。
為了更直觀的理解這一緩解的方法，引入兩種芯片產能的定義：
(A)芯片產能。
(B)lm產能，即，采用lm數量來計算芯片廠的產能，因為照明燈具的要求是采用lm(或lux)數來計算，而不是燈具所使用的芯片的數量來計算，這有些像發電廠的產能是按發電量計算的一樣。
例如，一個芯片廠的芯片產能是：月產100 kk的45mil芯片。
如果每個芯片封裝后在350mA驅動下發出100 lm的光，可以說該廠的lm產能是10 kkk lm。但是，如果每個芯片封裝后在更大電流驅動下發出300 lm的光，可以說該廠的lm產能是30 kkk lm。然而，按照350mA驅動的100 lm的LED芯片，為了達到30 kkk lm的lm產能，則需要的芯片產能是：月產300 kk的350mA驅動的45mil芯片。
對于上面的例子，這相當于：
(1)大電流驅動的芯片的每lm光通量的成本減低到原來的1/3; (2)芯片廠家的lm產能提高了3倍，但是，芯片廠家的芯片產能沒有增加，因而，沒有增加數目巨大的設備投資，節省了擴產月產200 kk 的芯片產能的巨額投資; (3)也節省了月產200 kk的350mA驅動的芯片的外延生長和芯片工藝的原材料費用。
即緩解了對設備廠商的壓力，也緩解了對原材料(包括藍寶石襯底)的需求。
如果能采用更大的電流(例如，數安培量級的電流)驅動，則優勢更大。
韓國的三星公司采購了大量的外延設備這一消息被多次引用，但是，沒有引起廣泛注意的是，三星公司正在與他人合作研發大電流驅動LED芯片，并且已在外延層面進行了專利布局。屆時，不但三星公司的外延設備的芯片產能大的驚人，其lm產能則更是驚人數倍于350mA驅動的LED芯片的lm產能。沒有大電流驅動芯片的技術的廠家則更難望其項背。
3. 大電流驅動的LED芯片的發展
據透露，Cree公司的1.5A電流驅動的芯片正在進行老化試驗，截至目前，6000小時只衰減7%。
我們知道：可以用大電流驅動的LED芯片必須在：(A)外延層面、(B)芯片層面、(C)封裝層面，滿足下面的條件：
(A)外延層面：關鍵的問題是要解決在大電流驅動時芯片的量子效率下降(efficiency droop)問題。一些公司正在研發解決效率下降的方法。例如，美國佛吉尼亞大學公開了試驗結果：采用摻雜鎂的InGaN 阻擋層代替無摻雜的GaN 阻擋層，在900A/cm2電流密度下(相當于采用9A電流驅動1mm2芯片)，得到最大的外量子效率。作為對比，目前市場上的常見的大功率1mm2的LED芯片的電流密度只有35A/cm2。最近，該大學公開了他們對大電流驅動的非極化LED的研發結果
而且，佛吉尼亞大學還發現，對于電流在P-GaN里橫向流動，即，橫向結構的LED芯片，電流擁塞會造成額外的量子效率下降。
(B) 芯片層面(詳見中國半導體照明產業發展年鑒(2008))：必須滿足下面條件：有效的向LED芯片引入大電流的方法，電流分布均勻，沒有電流擁塞，芯片的散熱性能優良。
三維垂直結構LED芯片比較容易滿足上述的條件，一款三維垂直結構LED芯片的電極，有4個條形電極，因此，有4個電流引入點，即，電流從N金屬分別通過4個電流引入點流入4個條形電極，并進而流入LED薄膜，從每一個電流引入點引入的電流等于總電流的1/4。因此，在電流引入點附近的電流密度較小，不容易在電流引入點的附近產生電流擁塞。對于更大的電流，可以采用多個條形電極，而不會有太多的擋光。
三維垂直結構的LED芯片在把大電流引入芯片方面具有優勢。
(C)封裝層面：必須把大電流產生的熱量有效的散掉。
總之，為了盡快的推進LED照明的進程，并滿足LED照明對LED芯片的需求，一方面要考慮到芯片設備廠和原材料廠的擴產的速度，另一方面要用盡量少的投資增加LED芯片的產能，采用大電流驅動的芯片能更好的滿足這兩方面的需求，而三維垂直結構的LED芯片更適合大電流驅動!
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