项目：LED用高性能Al2O3-SiO2复合衬底研发

推荐：龙岩市总工会

LED用高性能SiO2复合衬底研发-附件

1、成果背景

LED用高性能SiO2复合衬底研发项目是研发出新型外延生长基底材料和配套的工艺技术并将其应用在发光半导体芯片（LED）中的发光材料GaN晶膜生长的一种创新技术。该项目所属的产业为通信设备、计算机及其他电子设备制造业中细分的光电产业。

光电产业是福建省发改委和经信委联合发布的《建设现代产业体系培育千亿产业集群推进计划（2018-2020年）》中“培育27个超千亿产业集群”中的一个（集成电路与光电产业），它是福建省为加快发展先进制造业，增强经济综合实力和核心竞争力，培育区域特色主导产业，打造一批重点优势产业集群，推动建设现代产业体系一个重要产业。2020年全省光电产业总产值约1200亿元，占全省生产总值4.4万亿元的2.7%，在我省经济发展中的地位非常重要、作用举足轻重。光电产业产品被广泛应用于国防、科技、工业、农业、现代服务业中，其技术的领先程度，直接关系到我国的经济命脉、国防的强盛、人们生活水平，因此，光电产业的技术进步在我国经济发展中起到至关重要的作用。

目前提高LED亮度仍然是全世界光电工程师们专注研究的课题，LED亮度的提高，可使产品应用领域更广，质量越高，体积更小，产品更节能，寿命更长，市场竞争能力更强。图形化蓝宝石（Al2O3）衬底作为外延GaN最重要的基底材料，直接影响GaN生长质量乃至芯片参数，衬底的好坏会直接影响LED最终产品的光亮度，衬底图案设计的好，可使外延片在同等光源上产生成倍增长的光漫反射，大幅提高LED的亮度。因此LED衬底材料的技术创新是半导体芯片关键竞争要素，是决定LED最终产品技术质量竞争力的最基础材料。

为提高LED的亮度，制造商在Al2O3衬底上进行锥形图形刻蚀，增加斜面反射率，提高亮度，经十余年的发展，LED用图形化Al2O3衬底的潜能已经被深入挖掘，已经没有太多的创新应用，所以图形化Al2O3单衬底LED灯的亮度无法继续大幅度的提升。在亮度无法进一步提升的同时，图形化Al2O3单衬底还有一些不可弥补的缺点。为提高LED光亮度，通常需要在Al2O3衬底上刻蚀出锥形图案，增加衬底的光漫射面。在外延时，GaN会在Al2O3锥形图案中势能较低的C面成核后纵向、侧向生长晶体，但由于外延温度较高（1100℃），当结束外延生长恢复到室温后，在GaN和蓝宝石的锥形斜面之间会产生很大的热应力，会降低晶体质量，从而降低LED内的量子效率，降低发光效率。

现行LED衬底及外延片成品结构图

除此之外，Al2O3是除钻石外自然界最硬的材料，其刚度为9。由于Al2O3硬度高，要在Al2O3衬底表面刻蚀微观图形，刻蚀难度大、刻蚀速率低，刻蚀周期3μm、图形间距0.2μm左右、1.85μm高度（占空比在78%左右）图形，刻蚀速率在60nm/min左右，材料制备难度大、产量低、刻蚀成本高，特别是刻蚀用ICP设备目前价格普遍偏高，更增加了生产成本。

针对传统单一Al2O3衬底存在的亮度低、刻蚀速率慢等问题，本项目创造性的将单一衬底变为了复合衬底，突破原有材料物理极限，进一步提高亮度和刻蚀速率，大幅度提高了衬底性能、降低了衬底成本，具有非常重要的意义。

SiO2复合衬底图

此外，该项目的开发还有以下几点必要性。

1、替代进口的需要

由于我国在LED产业的高技术含量端的研究相对落后，产业链中先进技术及价值高的上游加工产品大部分依赖进口，每一项新技术均由国际大公司率先开发，这些已成为我国发展光电产业的卡脖子技术。

本项目研究技术是在传统的图形化Al2O3衬底工艺基础上做出的重大创新改进，通过SiO2锥形的引入，提高光在SiO2表面的漫反射率，使LED芯片关键参数—亮度，提高3-5%不等，有效的提升LED芯片的电光转换效率，对LED产业发展起到积极的推动作用。该项目的投产使我国衬底加工技术跃升为国际上领先水平，全面提高LED衬底产品市场竞争能力，满足国内LED产业的中下游企业在产品开发、质量提升中的需求，全面替代进口，为我国LED产业的高质量发展提供必要的支撑。

2、提高LED亮度的需要

目前，高性能SiO2复合衬底能使LED芯片关键参数—亮度，提高3-5%不等，有效的提升LED芯片的电光转换效率，可全面增加LED的使用领域、提高使用质量、推动终端产品的小型化，有利于促进我国航天航空、国防科技、民用产业的高质量发展，大幅提高产品价值和竞争力。

3、公司发展的需要

LED具有技术成长瓶颈高，学习门坎低的特性。过去GaN基LED的图形化Al2O3衬底还要大量依托进口，近一二年国内市场已快速饱和。企业要生存发展，必须要进一步对生产技术和产品进行创新研发，提高产品性能和质量，用优质的高性能产品不断拓展和巩固市场，同时进行降低生产成本的生产技术研究，让好产品有市场可接受的价格，提高企业市场竞争力，促进企业的可持续发展。高性能SiO2复合衬底的研发，进一步提升了企业的市场竞争力，有利于企业快速发展。

4、带动福建省LED产业发展的需要

LED产业若不持续进行先进技术的研究开发，很容易被快速淘汰。福建是我国LED产业四大区域之一，具有投资规模大、外延及芯片产能大、芯片企业规模大的特点，台商在该地区投资不断增加。但我省LED衬底生产企业少，技术最先进的是图形化Al2O3衬底。本项目高性能SiO2复合衬底技术的成功研发，可在国际上率先产业化应用蓝宝石复合图形衬底技术，全面提高LED亮度、提高生产效率和降低生产成本，将LED产业源头衬底技术提升到国际领先水平，从而全面提升福建省LED产业的生产技术水平，带动我省LED产业的全面高质量发展，有力的促进我省光电产业的发展和地方经济腾飞。

高性能SiO2复合衬底研发项目是目前衬底产业的前沿技术，该产品的投产能够替代国外产品，该产品的应用能够进一步降低能源消耗，因此开展高性能SiO2复合衬底的研究符合国家的发展要求和产业发展方向。

2、技术原理及性能指标

技术原理

1、SiO2的折射率低于Al2O3，能够提高衬底漫反射率，提高亮度

当光从高折射率的GaN入射到低折射度的晶体材料上时，更容易产生漫反射，提高光漫反射效率，提高光亮度。这是由于当光线从光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角；当入射角为某一数值时，折射角等于90°，此入射角称临界角。光线从光密媒质GaN射入光疏媒质SiO2，当入射角大于临界角时，就发生全反射现象。相较于Al2O3，SiO2折射率小，临界角就更小，漫反射的光就更容易反射出来，使得SiO2复合衬底较传统的蓝宝石衬底漫反射提高10-15%左右。根据测试发现，与常规衬底相比SiO2复合衬底顶部和底部的光提取效率分别提升了17%和10.7%。随后将常规衬底和SiO2复合衬底进行外延生长退火后制作成尺寸为250μm*575μm的LED芯片并封装，测试两者的LED芯片参数。实验结果显示常规衬底和SiO2复合衬底的光输出功率分别为211.85mW和223.05mW，SiO2复合衬底的光输出功率提高5%。同样地，芯片封装后常规衬底和SiO2复合衬底的亮度平均值分别为63.05lm和65.9lm，SiO2复合衬底的亮度提高约5%。因此，通过一系列实验可知，SiO2复合衬底最终将LED芯片亮度提高3-5%。

不同衬底光提取效率对比图

2、SiO2的引入改善衬底上生长GaN晶体条件，提高产品稳定性和亮度

SiO2复合衬底的表面微图形是由上层SiO2材料和下层Al2O3材料共同组成，由于SiO2与GaN、蓝宝石的材料体系不同，SiO2为四方晶体，而GaN和蓝宝石为六方晶体，所以GaN可以在蓝宝石C面生长而不能在SiO2表面上生长。但是GaN与Al2O3之间具有较大的晶格适配，GaN三维生长时会产生较大的穿透位错，得到的GaN表面粗糙。通过AFM对常规衬底和SiO2复合衬底进行了3μm*3μm和1μm*1μm范围扫描，可以发现常规衬底外延层的均方根粗糙度（RMS）在3μm*3μm的范围内为0.155nm，在1μm*1μm的范围内为0.154nm，而SiO2复合衬底外延层的均方根粗糙度（RMS）在3μm*3μm的范围内为0.122nm，在1μm*1μm的范围内为0.127nm。实验结果表明在SiO2复合衬底上生长出的外延层有着更好的晶体质量。通过进一步分析发现，SiO2复合衬底上生长出的外延层晶体质量好是由于复合衬底的图形上半部分为SiO2结构，有利于GaN生长过程中蓝宝石C面和图形斜面的表面势能差值的提高，减少侧壁的位错数量，改善外延晶体质量，从而提升LED的内量子效率提高LED芯片的稳定性。实验数据也可以明显发现，由于图形侧壁为SiO2，抑制了AlGaN在图形侧壁的生长，降低外延层缺陷密度。根据XRD检测结果的换算，SiO2复合衬底的位错数量约为常规衬底的1/3，外延晶体质量明显改善，提高了LED辐射复合效率。

常规衬底（PSS）和复合衬底（PSSA）晶体质量对比图

3、SiO2更易刻蚀，提升了刻蚀速率

Si-O化学键能（443kj/mol）比Al-O化学键能（502kj/mol）小，其刻蚀效率更高。研究发现SiO2刻蚀速率比蓝宝石快1倍，通过对SiO2的刻蚀程序进行系统研究和优化，最终使得SiO2复合衬底的蚀刻工艺时间速率较常规衬底的蚀刻工艺时间快40%，有效的提高了刻蚀产能。同时，由于SiO2刻蚀速率更高，选择比就更高，可以将胶柱做小，进一步提升黄光产能和质量。

相同条件下SiO2和Al2O3的刻蚀速率对比

常规衬底（PSS）和复合衬底（PSSA）选择比和刻蚀速率对比图

性能指标

1、新型SiO2复合衬底，提高光在衬底表面的漫反射率15%，亮度提高3%。

2、SiO2薄膜厚度可控范围在0.1μm-10μm，厚度均匀性控制在3%以内。

3、新型SiO2复合衬底Al2O3露出高度控制在0.1-0.3μm，差值控制在50nm以内。

4、SiO2复合衬底生长的GaN与传统PSS衬底生长的GaN相比，提高GaN晶体质量，通过对（002）面XRD测试半峰宽，半峰峰宽降低10%，外延层位错密度减少70%。

5、新型SiO2复合衬底刻蚀时间为30min，较常规衬底刻蚀时间减少30%。

3、技术的创新性与先进性

1、SiO2-Al2O3的薄膜沉积技术

由于SiO2与Al2O3晶格结构不同，再者契合难度大，用常规工艺无法做成SiO2-Al2O3复合衬底，这是高性能SiO2复合衬底无法大规模量产的瓶颈。本项目创新设计研究应用等离子增强化学气相沉积PECVD技术，将SiO2晶体有效复合到Al2O3上，形成具有高质量SiO2覆膜层的复合平片。同时，通过后续持续的技术攻关，单片成本大幅度降低，沉积薄膜质量大幅度提高，目前已经达到国际先进水平。除了创新发展PECVD高均匀性薄膜技术，我司还创造性的利用溶胶凝胶法制备出SiO2薄膜层，目前已做出样品，该技术方法也正在申请专利，专利名称为一种低折射率疏水性SiO2图形化蓝宝石衬底的制备方法（专利号：ZL202111052745.9），这些充分体现了项目工作的创新性和先进性。

2、创新引入低折射率SiO2锥形，有效提高光的漫反射

本项目在创新引入低折射率SiO2锥形，是对目前普遍采用的GaN基单Al2O3图形衬底的技术的一个突破性的创新，它可有效提高光的漫反射，提高LED芯片的性能。

早期GaN是直接生长在平片Al2O3衬底上面，形成一层3-5μm的GaN薄膜，最终做成LED芯片，由于GaN的折射率2.4左右，Al2O3折射率在1.7左右，空气折射率在1，光从GaN层的多量子阱中发出后朝各个方向发射，垂直于Al2O3表面的很少一部分光从GaN表面出射到空气，其他跟Al2O3衬底表面角度较大的一部分光最终在GaN的两个上下平行面出现全反射，在这过程中大量的光会被转化为热量，导致器件发光效率不高。而图形化Al2O3衬底的引入利用了不同折射率材料在接触的界面出会出现反射的现象，通过引入漫反射，让光更多的透射出来从而提高LED的光萃取效率。SiO2复合衬底在此基础上进一步提升，通过在Al2O3超平片表面引入了一层SiO2薄膜，最终衬底上部的图形材料由Al2O3变为SiO2，图形折射率从1.74降为1.42。材料折射率的降低将更加有利于光在图形衬底表面的漫反射，增大光射出器件的概率，使得该产品的出光效率达到国际领先水平。

我司在大量项目工作的基础上，对项目数据进行总结分析，撰写出一篇名为《SiO2图形化蓝宝石衬底对GaN生长及LED发光性能的影响》论文并发表在发光学报上，这充分体现该工作的创新性。

 

3、创新“孤立岛”设计，释放了复合应力，优化了GaN生长环境

由于两种晶体的结构不同、硬度不同、张力不同，复合后产生应力，造成复合后的平片衬底翘曲变形，影响衬底质量。项目通过将PECVD沉积的SiO2薄膜进行“孤立岛”设计，把它刻蚀成为有序且独立的圆锥体图形，“孤立岛”有效消除了SiO2薄膜沉积过程中产生的应力，保持了蓝宝石衬底原有的基础参数及翘曲度，从而更加容易保证复合衬底在外延生长过程中的波长的稳定性。该工作已授权一篇实用新型专利（一种多复合层图形化蓝宝石衬底，专利号：ZL202022679094.3），正在申请一篇发明专利（一种多复合层图形化蓝宝石衬底的制备方法，专利号：202011294390.X）。

由于该项目技术创新性高，处于国际领先水平，且已经产生一定的经济社会效益。该项目参加了由省工信厅、省财政厅、省教育厅、省总工会、团省委联合主办，以“围绕产业链、部署创新链、配置资金链”为主题的第四届“创响福建”中小企业创新创业大赛，获得了龙岩市企业组三等奖以及全省企业组优秀奖等荣誉。

 

此外，该项目中的一篇发明专利“一种SiO2蓝宝石复合衬底”发明专利（专利号：ZL201911178505.6）荣获2021年度（第八届）龙岩市专利奖三等奖，这也充分体现该项目具有非常好的创新性和先进性。

4、技术的成熟度，适用范围和安全性

该项目技术成熟度较高，该产品于2020年通过下游客户小批量测试，2021年开始大批量量产，市场认可度高。

 

2021年8月，该产品新增产能项目的可行性研究报告通过，项目建成后我司高性能SiO2复合衬底的年产量将新增120万片。

 

适用范围

该项目技术位于LED生产产业链的上游加工链上，该项目的产品应用于下游的芯片制造，作为下游氮化镓生长的衬底。

高性能SiO2复合衬底已在我司批量生产一段时间（2021年开始批量生产），期间没有发生任何安全事故，生产安全性高。同时，该产品的扩产项目已经通过环评，该产品在生产过程中对环境的影响极低。

 

5、应用情况及存在问题

应用情况：高性能SiO2复合衬底从2021年开始放量生产，目前产量为16万片/年，已产生利润128万元/年。目前我司正在进行年产120万片SiO2复合衬底技改项目，由于高性能SiO2复合衬底的使用领域更高端、更宽泛，技改完成后可进一步增加企业衬底材料的市场竞争力和市场占有率，使我司产能和技术处于国际领先地位。预计技改完成时（2023年），可新增销售120万片/年，按每片86元/片计算，可新增销售10320万元/年，每片增加利润8元/片，可新增利润960万元/年。经济效益明显。此外，高性能SiO2复合衬底技术产业化应用后，可带动我省LED中下游产业的技术迈入国际先进行列。按LED产业链加工价值分，上游产业价值点60-70%，中游占10-20%,下游占10%，其他占10%的价值占比，本项目技术的应用可撬动我省LED产业10.56亿元的经济增长，撬动我省光电产业500亿元以上的经济增长。项目经济带动效益非常可观。

目前高性能SiO2复合衬底还存在以下问题

1、复合衬底均匀性较差

由于高性能SiO2复合衬底增加了一道薄膜沉积工艺且刻蚀速率更快，导致高性能SiO2复合衬底的均匀性差于常规衬底，这对公司提出了更高的技术要求，需要继续提高薄膜沉积均匀性和蚀刻均匀性。目前，我司正在组织人员进行技术攻关，努力缩小与常规衬底的均匀性差异，进一步发挥出复合衬底的优越性。

2、复合衬底良率较低

由于高性能SiO2复合衬底主要应用在高端领域，对生产过程中各项参数的要求更高，因此导致良率不高。目前我司正在技术攻关，不断提高产品质量，提高良率，降低单片成本。

3、机理研究不够深入

虽然我司对高性能SiO2复合衬底的机理有着一定研究，但是对SiO2薄膜应力释放、GaN材料晶体质量优化等对产品质量和良率影响较大的方向研究较少。由于我司与厦门大学、华侨大学等高校建立了长期、紧密的合作关系，后续将依托厦门大学研究生工作站、厦门大学教学实习实践基地、华侨大学研究生工作站、开放式创新创业平台等平台，通过校企深入合作，深入研究相关机理。