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[导读]东芝的实用化突飞猛进最近情况有了变化。因为美国普瑞光电公司开发出了能减轻GaN晶体与Si基板的不匹配问题的技术,东芝采用该技术快速推进了GaNonSi技术的实用化。东芝与普瑞光电于2011年展开合作。2012年12月开始以

东芝的实用化突飞猛进

最近情况有了变化。因为美国普瑞光电公司开发出了能减轻GaN晶体与Si基板的不匹配问题的技术,东芝采用该技术快速推进了GaNonSi技术的实用化。

东芝与普瑞光电于2011年展开合作。2012年12月开始以月产1000万个的规模共同量产采用8英寸(200mm)硅晶圆的白色LED封装。利用石川县加贺东芝电子公司的IGBT等Si制功率半导体的部分生产线来生产GaNonSi。

2013年4月,东芝收购了普瑞光电的LED开发部门。2014年3月发布了第二款产品。还计划2015年4月之前推出第三款~第五款产品。东芝分立半导体业务部业务部长助理福冈和雄介绍说,“我们在LED芯片的开发方面起步较晚。出战市场需要武器,我们的武器就是GaNonSi”。

普瑞光电开发的减轻Si基板与GaN晶体间不匹配问题的缓冲层技术非常优秀注1)。福冈表示,“也考虑过自主开发,不过本着花钱买时间的原则,最终收购了普瑞光电”。

注1)某白色LED技术人员对此表示怀疑,称“如果普瑞光电的技术真那么优秀,会卖给其他公司吗”。不过,普瑞光电将LED的量产全部委托给了东芝,利用东芝制造的LED开展业务。

东芝还在快速提高LED的发光效率等性能。2012年12月推出的首款产品,发光效率在施加350mA电流时为112lm/W,而2014年3月提高到了135lm/W。另外,还计划使2014年10月推出的第四款产品达到170lm/W,使2015年4月推出的产品达到190lm/W。如果能实现,那么只用一年半就实现了以往的白色LED技术用5年多时间提高的性能。

考虑利用300mm晶圆

福冈介绍说,“Si基板上的GaN缺陷密度高达5~8×108个/cm2,是采用普通蓝宝石基板时的约2倍。不过,通过研究开发,削减到了与蓝宝石基板差不多的3×108个/cm2。在不久的将来,性能将追上蓝宝石基板。成品率也比较高”。顺便一提,在东芝等的技术中,吸收光的Si基板会在中途去除,因此不会出现问题。

此外,东芝还打算在不久的将来使用12英寸(300mm)晶圆。福冈表示,“针对功率半导体的GaNonSi技术也在开发之中,有望与该技术一起利用300mm晶圆制造。可能会利用四日市的工厂”。

微细加工存在制约

不过还有课题。东芝等的技术采用的Si基板是半导体不常用的(111)晶体面的Si。福冈说,这是“为了提高与GaN的匹配性”。但这样的话,利用现有半导体制造装置对Si基板面进行微细加工等的工序就无法使用了。比如,在蓝宝石基板的表面形成凹凸以提高LED光提取效率的“PSS(PatternedSapphireSubstrate)”技术就难以用于Si基板。

在GaNonSi技术的研究中,还有人在开发能消除这种制约,从而全面发挥利用现有半导体制造装置的优势的方法。名古屋大学天野研究室开发出了在普通半导体技术采用的Si(001)面上生长GaN晶体的技术。重点是在Si与AlN之间夹住某金属层。而且,由于金属层会反射GaN的光,因此也不用去除Si。另外还有一些其他优点,比如“与金属层掺杂的Si基板能直接作为电极使用”(天野)。

天野研究室正以该金属层技术为基础,开发在硅晶圆上实施微细凹凸加工,然后在上面形成GaN半导体层的GaN纳米线技术(图8(d))。目标是2020年之前在300mm硅晶圆上实现(图9)。

可实现“发光的线”

目前,在GaNonSi技术注2)上,除东芝外,还有很多其他企业纷纷参战。但东芝已经超越了单纯的LED芯片制造,又出了新招。该公司开发的CSP(ChipScalePackage)技术已于2014年3月实用化,该技术是在晶圆上封装利用GaNonSi技术制作的LED芯片(图10)。

图10:封装也采用Si技术

东芝CSP技术的制造流程概要(a)以及与以往封装的不同(b)。即使采用相同尺寸的LED芯片,封装的面积也只有1/10。

注2)抢在东芝之前全球率先量产采用GaNonSi技术的LED芯片的中国晶能光电、继东芝之后于2013年3月开始生产8英寸晶圆的法国Aledia、德国欧司朗光电半导体、NTT、荷兰飞利浦流明等。韩国三星电子也开发出了采用8英寸硅晶圆的技术。坚持进行研究开发的日本企业就更多了。

以往的采用蓝宝石基板的LED也开发出了CSP技术,但据称东芝的LED使用Si基板,CSP工序也可沿用现有半导体制造技术,制造更容易。例如,在基板的去除工序中,蓝宝石基板需要使用激光,而Si基板只需蚀刻即可。

目前,LED封装的制造成本的约60%都由封装工序所占据。利用东芝的CSP技术有望大幅降低这一成本。

尤其是,东芝将CSP技术定位为LED的新附加值,而非单纯的成本削减技术。虽然与以往的封装采用相同的LED芯片,但封装面积只有0.65mm见方,还不到原来的1/10。因此,不用提高电流密度就能在维持发光效率的情况下将亮度较大幅提高。

东芝设想将其用于发挥其超小型、超薄型特点的薄型智能手机和超小型照明器具等。另外,“还考虑在金属线上安装该LED,形成线光源”(福冈)。(
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