LED照明第二幕（三）东芝的实用化突飞猛进，有望实现“发光的线”

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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GaN on Si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GaN on Si。

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GaN on Si”。

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GaN on Si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（Patterned Sapphire Substrate）”技术就难以用于Si基板。

在GaN on Si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GaN on Si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（Chip Scale Package）技术已于2014年3月实用化，该技术是在晶圆上封装利用GaN on Si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GaN on Si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）。（作者：野泽哲生，日经技术在线！供稿）