LED照明第二幕（三）東芝的實用化突飛猛進，有望實現“發光的線”

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東芝的實用化突飛猛進

最近情況有了變化。因為美國普瑞光電公司開發出了能減輕GaN晶體與Si基板的不匹配問題的技術，東芝採用該技術快速推進了GaN on Si技術的實用化。

東芝與普瑞光電於2011年展開合作。2012年12月開始以月產1000萬個的規模共同量產採用8英寸（200mm）硅晶圓的白色LED封裝。利用石川縣加賀東芝電子公司的IGBT等Si制功率半導體的部分生產線來生產GaN on Si。

2013年4月，東芝收購了普瑞光電的LED開發部門。2014年3月發布了第二款產品。還計劃2015年4月之前推出第三款∼第五款產品。東芝分立半導體業務部業務部長助理福岡和雄介紹說，“我們在LED芯片的開發方面起步較晚。出戰市場需要武器，我們的武器就是GaN on Si”。

普瑞光電開發的減輕Si基板與GaN晶體間不匹配問題的緩沖層技術非常優秀注1）。福岡表示，“也考慮過自主開發，不過本著花錢買時間的原則，最終收購了普瑞光電”。

注1）某白色LED技術人員對此表示懷疑，稱“如果普瑞光電的技術真那麼優秀，會賣給其他公司嗎”。不過，普瑞光電將LED的量產全部委托給了東芝，利用東芝制造的LED開展業務。

東芝還在快速提高LED的發光效率等性能。2012年12月推出的首款產品，發光效率在施加350mA電流時為112lm/W，而2014年3月提高到了135lm/W。另外，還計劃使2014年10月推出的第四款產品達到170lm/W，使2015年4月推出的產品達到190lm/W。如果能實現，那麼隻用一年半就實現了以往的白色LED技術用5年多時間提高的性能。

考慮利用300mm晶圓

福岡介紹說，“Si基板上的GaN缺陷密度高達5∼8×108個/cm2，是採用普通藍寶石基板時的約2倍。不過，通過研究開發，削減到了與藍寶石基板差不多的3×108個/cm2。在不久的將來，性能將追上藍寶石基板。成品率也比較高”。順便一提，在東芝等的技術中，吸收光的Si基板會在中途去除，因此不會出現問題。

此外，東芝還打算在不久的將來使用12英寸（300mm）晶圓。福岡表示，“針對功率半導體的GaN on Si技術也在開發之中，有望與該技術一起利用300mm晶圓制造。可能會利用四日市的工廠”。

微細加工存在制約

不過還有課題。東芝等的技術採用的Si基板是半導體不常用的（111）晶體面的Si。福岡說，這是“為了提高與GaN的匹配性”。但這樣的話，利用現有半導體制造裝置對Si基板面進行微細加工等的工序就無法使用了。比如，在藍寶石基板的表面形成凹凸以提高LED光提取效率的“PSS（Patterned Sapphire Substrate）”技術就難以用於Si基板。

在GaN on Si技術的研究中，還有人在開發能消除這種制約，從而全面發揮利用現有半導體制造裝置的優勢的方法。名古屋大學天野研究室開發出了在普通半導體技術採用的Si（001）面上生長GaN晶體的技術。重點是在Si與AlN之間夾住某金屬層。而且，由於金屬層會反射GaN的光，因此也不用去除Si。另外還有一些其他優點，比如“與金屬層摻雜的Si基板能直接作為電極使用”（天野）。

天野研究室正以該金屬層技術為基礎，開發在硅晶圓上實施微細凹凸加工，然后在上面形成GaN半導體層的GaN納米線技術（圖8（d））。目標是2020年之前在300mm硅晶圓上實現（圖9）。

可實現“發光的線”

目前，在GaN on Si技術注2）上，除東芝外，還有很多其他企業紛紛參戰。但東芝已經超越了單純的LED芯片制造，又出了新招。該公司開發的CSP（Chip Scale Package）技術已於2014年3月實用化，該技術是在晶圓上封裝利用GaN on Si技術制作的LED芯片（圖10）。

圖10：封裝也採用Si技術 東芝CSP技術的制造流程概要（a）以及與以往封裝的不同（b）。即使採用相同尺寸的LED芯片，封裝的面積也隻有1/10。

注2）搶在東芝之前全球率先量產採用GaN on Si技術的LED芯片的中國晶能光電、繼東芝之后於2013年3月開始生產8英寸晶圓的法國Aledia、德國歐司朗光電半導體、NTT、荷蘭飛利浦流明等。韓國三星電子也開發出了採用8英寸硅晶圓的技術。堅持進行研究開發的日本企業就更多了。

以往的採用藍寶石基板的LED也開發出了CSP技術，但據稱東芝的LED使用Si基板，CSP工序也可沿用現有半導體制造技術，制造更容易。例如，在基板的去除工序中，藍寶石基板需要使用激光，而Si基板隻需蝕刻即可。

目前，LED封裝的制造成本的約60％都由封裝工序所佔據。利用東芝的CSP技術有望大幅降低這一成本。

尤其是，東芝將CSP技術定位為LED的新附加值，而非單純的成本削減技術。雖然與以往的封裝採用相同的LED芯片，但封裝面積隻有0.65mm見方，還不到原來的1/10。因此，不用提高電流密度就能在維持發光效率的情況下將亮度較大幅提高。

東芝設想將其用於發揮其超小型、超薄型特點的薄型智能手機和超小型照明器具等。另外，“還考慮在金屬線上安裝該LED，形成線光源”（福岡）。（作者：野澤哲生，日經技術在線！供稿）