-
1.
外延片指的是在衬底上生长出的半导体薄膜
,
薄膜主要由
P
型，量子阱，
N
型
三个部分构成。
现
在主流的外延材料是氮化镓
(GaN),
衬底材料主要有蓝宝石
，
硅，
碳化硅三种，量子阱一般为
5<
/p>
个，通常用的生产工艺为金属有机物气相外延
(MOCVD)
。
这是
LED
产业
的核心部分，
需要较高的技术以及较大的资金投入
(
一台
MOCVD
一般要好几千万
< br>)
。
2.
外延片的检测一般分为两大类
:
一是光学性能检测，主要参数包括工作电压，光强，波长范围，半峰宽，色温，
显色指数等等，这些数据可以用积分球测试。
二是可靠性检测，主要参数包括光衰，漏电，反压，抗静电，
I-V
< br>曲线等等，这
些数据一般通过老化进行测试。
3.
需要指出的是，并没有白光
LED
芯片，只有白光
LED
灯珠
/
管，即需要进行封
装
才能获得白光小
LED
灯，也叫灯珠，管子。
< br>
白光
LED
一般通过两种途
径获得：
一是通过配光，将红绿蓝三色芯片进行配比封装获
得白光
LED.
二是通过荧光粉转换蓝光
< br>LED
，从而获得白光
LED.
半导体制造商主要用抛光
Si
片
（
PW
）
和外延
Si
片作为
IC
的原材料。
20
世纪
< br>80
年代早期开始使用外延片，它具有标准
PW
所不具有的某些电学特性并消除了许
多在晶体生长和其后的晶片加工中所
引入的表面
/
近表面缺陷。
历史上，
外延片是由
Si
片制造商生产并自用，
在
IC
中用
量不大，
它需要在单晶
Si
片表面上沉
积一薄的单晶
Si
层。一般外延层的厚度为
2
～
20
μ
m
，而衬底
Si
厚度为
610
μ
m
（
150mm
直径片和
725
μ
m
（
200mm
片）。
外延沉积既可（同时）一次加工多片，也可加工
单片。单片反应器可生产出质量
最好的外延层（厚度、电阻率均匀性好、缺陷少）；这种
外延片用于
150mm“前
沿”产品和所有重要
200 mm
产品的生产。
外延产品
外延产品应用于
4
个方面，
CMOS
互
补金属氧化物半导体支持了要求小器件尺寸
的前沿工艺。
CMO
S
产品是外延片的最大应用领域，并被
IC
制造商用于不可恢复
器件工艺，包括微处理器和逻辑芯片以及存储器应用方面的闪速
存储器和
DRAM
（动态随机存取存储器）。分立半导体用于制
造要求具有精密
Si
特性的元件。
“奇
异”
（
exotic
）
半导体类包含一些特种产品
,
它们要用非
Si
材料，
其中许多
要用化
合物半导体材料并入外延层中。
掩埋层半导体利用双极晶体管元件内重掺
杂区进行物理隔离，这也是在外延加工中沉积的。
目前，
200 mm
晶片中，外延片占
1/3
。
2000
年，包括掩埋层在内，用于逻辑器
件的
CMOS
占所有外延片的
69%
，
DRAM
占
11%
，
< br>分立器件占
20%
。
到
2005
年，
CMOS
逻辑将占
55%
，
DRAM
占
30%
，分立器件占
1
5%
。
市场动力
上世纪
< br>90
年代中期，
CMOS
外延片
用量增加的趋势已经出现。
1997
～
1998
年间，
半导体“滑坡”，
IC
公司按器件工艺“蓝图”（最小线宽缩小速率）更好利用
Si<
/p>
表面“现实”状态。无线和因特网应用的急剧增长，推动
200m
m
和
300mm
晶
片工艺向
0.18
μ
m
及更小尺寸方面发展，
其中许多
（器件）
并入了复杂的单芯片
/
一个芯片上的系统。为达
到所需器件性能和成本率目标，外延片优于抛光片，
因为外延片的缺陷密度低、吸杂性能
好，电学性能（如锁存效应）也好，且易于
制造。
外延片让器件
制造商很自然地由
200mm
晶片过渡到
300mm
晶片而不必改变
设计从而节省了时间和投资。
随着工艺上倾向于重视外延片，
市场上
相应地增加了
CMOS
器件用外延片的供应。
< br>1996
年前，外延片价格明显高于抛光片，这就妨碍了它作为
< br>IC
原材料的使用。
相应于
90
年代晶片出现短缺，
Si
片制造商纷纷
扩大其生产能力，但这又受到
1996
～
1998
年间工业萧条的打击：于是出现供过于求，导致
Si
价格大幅下滑，
2
～
< br>3
年间，下降
50%
。收入剧减
，加之难以降低生产成本，迫使晶片制造商缩减
扩产计划、推迟
300mm
进程，减少研发投资以降低成本。
1996
年，晶片制造商
投资其收入的
55%
用于扩大生产能力，到
2000
年，则减少到小于
10%
。
这些市场压力使晶片制造商降低外延片的价格，使许多
IC
制造
商转向使用
150
mm
和
200 mm
< br>外延片，这可使他们从外延片所显示的“产权成本
/
性能
比”优势
中获益。
2000
年，直径<
/p>
200
mm
外延片价格比相同直径抛光
片高
20%
～
30%
< br>，而在
90
年代中期，外延片价格要高出
50%
。
虽然过去两年<
/p>
IC
市场稳步增长，但晶片制造商生产能力未跟上，晶片显得供不
应求。下一代
200
mm
和
300
mmPW
要求采用新的生长工艺，而这会大大降低成品
率、减
少产量。
IC
和器件工艺发展（最小线宽减小，缺陷密度、吸杂
及晶体原
生颗粒，
COP
等问题）与现
实的低成本晶片的缺乏不相一致，这样，是选择抛光
片还是外延片就提到日程上来了。<
/p>
代替抛光片的办法包括经
H2
和
Ar
气氛中退火
的晶片，在成本、制造重复性和
产品性能方面，这两种办法是有效的。外延片需
要大批量晶体进行加工，
这可使晶片制造商扩大现行衬底生产能力而很少甚至不
需要添加另外的设备。（
东芝陶瓷信越半导体、
MEMC
电子材料公司，瓦克
Siltronic
公司等）
晶片制造商已提出若
干新的外延工艺以解决
COP
和吸杂问题，
同时要努力降低成本和提高产量。
采用外延片可能存在的问题
由于工
业发展的周期性起伏和可变性，
准确预测半导体市场是困难的。
同样，
预
测
CMOS
< br>用外延片的增长受到若干因素的影响，主要有：
1
）市场
疲软导致
Si
片
过剩，这使晶片制造
商收入下降，因而限制甚至取消另外投资外延片生产计划，
而外延片供应不足或缺乏，又
使
IC
厂转而使用抛光片。与无线及因特网相关产
品需求下降也会减少对外延片的需求。
2
）外延片没
有产权成本优势，相对于抛
光片也没有成品率或性能方面的“好处”，从而不能保证得到
较高的“取得成
本”（
acguisition
cost
）
200
mm
和
300 mm
产品，如能成功（
地解决某些质量
问题）就无需利用外延片。
将来的市场
虽然市场疲软，但外延片所受冲击可望很小，
200 mm
晶片在
2000
年第
3
季度，
达到供
/
< br>需平衡，
2000
年间任一方面市场增长都会导致求过于
供，即将出现的晶
片短缺的程度则难以确定，晶片厂不愿意甚至不能扩大生产（包括外延
片生产）
会造成外延片供应紧张。
200
mm
晶片需求预测表明：与
2000
年比，
2005
年的需
求量会扩大<
/p>
40%
～
60%
，（
7
百万～
8
百万片
/
月）甚至
100%
（
1
千万片
/
月），在
此期间，
200
mm
外延片由
38%
用量增长到<
/p>
50%
；
300
mm
晶片开始使用时，外延片
可望占到～
70%
。
今天许多高增长率产
品，
由于有较高的性能要求而需采用外延片。
单片外延片生
产比较复杂，
因为先进的分立器件
（
150
mm
）
和<
/p>
150
mm/200
mm
前沿产品受到
（晶
片）生产能力的限制。如果能证
明外延片相对于先进的
PW
（如氢或氩气退火片）
具有产权成本方面的优势，那么作为下一代
200
mm
、
300 mm
产品的材料，其地
位是稳固的。
可以说，
将来外延片需求
量会有强劲增长，
唯一的问题是供应不足。
< br>白光
LED
简史
LED
是
Light
Emitting Diode
发光二极管的简称。此种组件，无论是信息产品，
通讯用品还是消费性家电制品，广泛普遍用于各种电子回路中，通常用来做为
< br>“显示状态”的用途。
??
使用红光、绿光或蓝光二极管的产品，市面上可以说四处可见。但是使用
白光的发光二极管，
却很少见，
其中是不是有什么技术
瓶颈？答案是科技界最喜
欢使用的反制招数。
因为这是日亚化学
工业
(Nichia)
的独门专利。
然
而，
随着该
公司专利战略的不得不变更，
白色光
LED
的市场面以及性能面，
有机会演起一场
大变格的戏码。
市场面的首要冲激变革，
即是供给体制的变化。
当有更多的竞争
者，进
入角逐之战场以后，我们可以预期至少会发生几件事情。其一，自然是价
格会滑落到一定
的合理水平。其二，可以大量的交货，满足市场的需求。其三，
品种的种类丰富化。
如果以上的推断逻辑成立的话，
那么，
白色
光
LED
的市场扩
大延伸，必然会呈现
加速度的上升曲线。
日亚中村秀二倒戈
掀起蓝光、白光<
/p>
LED
专利权大战
??
说到
白色光
LED
，必须延伸说到蓝光
LE
D
。而谈到蓝光
LED
，这又与日亚化
学工业的专利世纪大战，有密不可分的影响关系。至于，白色光
LED
以及蓝光
LED
，又是存在怎样
的你浓我浓的依存关系，稍后再来说明。
??
有意思的是，这场专利世纪大战
的情节，直逼连续剧般地剧情变化，人事
物地俱足，高潮迭起。情节的主轴有二，其一，
是专利权本身的战役。其二，是
幕后的伟大发明家中村秀二
(S
huji
Nakamura)
先生，琵琶别抱，在劲敌日亚化
学
Cree
公司从事兼职的研究工作，带领
Cree
开发不同于日亚的蓝光
LED
技术，向
其老东家挑战。
??
说起日亚化学工业
(Nichia)
一向是以专利垄断之战略垄断蓝光
LED
市场。
何以，来个战略的乾坤挪移呢？实际上，日亚化学
工业也是被目前的时势所逼，
而不得不重新检讨策略上的运用。日亚化学工业在
1993
年时成功地开发出蓝光
LED
，据称，其所拥有之相关专利就超过
100
件以
上，而该公司为了达完全垄断
蓝光
LED
市场的企图霸心，
即运用了坚守专利的策略，
悍然拒绝将该专
利授权给
其它任何的厂商
，设下进入
市场的专利障碍。日亚挟其在化学工业领域长期研
发的优势与专利保护策略，
初期很顺利走向垄断蓝光
LED
市场之路。
如同风云中
的雄霸一般，野心想独吞天下，成也风云，败也风云。
??
举个实际
的发生例子而言，当
1998
年竞争对手丰田合成
(Toyoda Gosei)
的氮化物
(Nitr
ide)
高亮度
LED
产品在市场上一
推出时，日亚就向东京地方法院
提起诉讼，指控丰田合成侵害其蓝光
LED
专利。后来，此案做出裁决，东京地方
法院判决专利
侵权的案件成立，命令丰田合成公司停止制造与销售其
LED
产
品，
并赔偿
1
亿日元给日亚化学。而对
此一判决，丰田合成已经提起上诉。
??
第二个实际的案例，
发生在
1999
年，
日亚
再转移目标对准美国的知名蓝光
LED
大厂
Cree
，向东京地方法院指控
Cree
< br>在日本当地经销商住友商事侵害其产
品专利。
一场横跨美
、
日两地的蓝光
LED
世纪专利大战，
就从上一个世纪末延续
打到了新世纪，而日亚的蓝光
LED
垄断之路，越走越崎岖，终究初尝败绩。这项
判决实在具有重大的实质意义，
一来因为这表示其它的竞争者有机会可以进入蓝
光
LED
的市场，而不至于侵害日亚化学的专
利
二来，以专利伞独霸的招式，证
明
不是万灵丹。
??
从这几个案例，
大家也可以不用付出任何高昂学费，
学到一些宝贵的教训，
他人是如何踢
到铁板，
又是如何利用招式来面对不利的局势。
此事证明了任何
坚
固如盘石一般的专利布局战略，
其它厂商也不是完全没有机会
，
可以绕过专利地
雷自行开创新的局面。这就需要仰赖智能与技
术的结晶。
白色光
LED 2003
年出货可达<
/p>
12
亿颗
??
若是从性能层面来思考，
要去专注的重点
，
不外乎“发光效率”以及“辉
度量度”的特性问题。依据推断，“白光”LED
要直逼日光灯的发光效率，可能
要到
2004<
/p>
年，或提前或延后，这都不是问题，重点是照明器具业者、信息业者、
通讯业者，
大概已经留意到白色光
LED
< br>的潜力，
过去被视为“罕见的零件”将洗
心革面变成普通
的泛用组件。
??
“光效率”的提升，
所带来多品种的“白光”LED，
恰巧可以迎合携带电话
机、
PDA
、以
及照明器材的庞大市场。尤其是携带电话机与照明器材，会因为其
巨大的成长，
带来“白光”LED
无限的商机。
2001
年的使用量，
约有
2
亿个，
2002
年估计有
62
亿个的使用量。预估
2003
年可能有机会急
速扩大到
12
亿个，单价
的滑落，当可
预期。
??
我们用量化的数据，来看“白光”LED
的究竟。白热灯泡的发光效率，约
落在
16lm/W
左右，而最常用的日光灯，其发
光效率则是从
60lm/W(20
瓦的直立
式灯管
)
到
100lm/W(40
瓦的直立式灯管
)
。办公室或是在学校
的场合，大多是
100lm/W
的日光灯，而在家庭室内的场合
，
60lm/W
程度的发光效率，该是可以
接受的范围。
??
而目前的“白光”LED
的发光效率，可以看到
30lm/W
的产品。
由此可见，
白光
LED
的发光效率，<
/p>
还有一段路要走。
如果观察日亚化学以及丰田合成的技术
规划蓝图，
所采用的手段，
会从外部发光效率一
路延伸到内部发光效率的两个层
面，并双管齐下，到了
2004
年或
2005
年，应该可以达成
50
～
60lm/W
程度的理
想范围
。其中，在施予外部
发光效率的手法上，可能会是未来的技术主流。依
据丰田合成的说词，
< br>未来开发的课题，
着力点放在“萤光体的改良”以及“萤光
体的涂敷方式的最佳化”。萤光体的涂敷方式，还是有他的
Know-how
存在，
Citizen
电子利用混合环氧树脂<
/p>
(Epoxy)
涂敷在萤光体，据称，此种外部发光效
率的手法，可以提高大约
20%
～
30%
的发光效率。至于以上所说的“lm/W”，其
实就是代表每瓦多少流明的意思。
白光
LED
将取代钨丝灯泡
成为新世代照明用具
??
白光
L
ED
是很多产业分析师或
LED
产业心
目中相当被看好的新兴零件产品。
当然，所持的理由是，在全球能源的资源相当有限的的
忧虑背景下，白光
LED
在照明市场的前景备受全球瞩目。
欧、
美及日本等先进国家也投注许多人力财力，
设立专门的机构推动白光
LED
研究与开发的工作。
为什么白光
LED
会被视为未来
的明星零件产品，这当然与他的特殊优势或说是优点，有相当大的关系。
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