The present situation of production and marketing prospects of GaP material and LEDs in the world were reviewed.It is forecasted that annual increasing rate is 10% for low brightness LEDs, 30% for high brightness LEDs and not less than 10% for GaP material, respectively, in 2000.The principal method for the growth of GaP material is LEC and the diameter of GaP commercial product is Φ 50～62 mm.Many efforts on GaP are made toward fabricating the material with low dislocation density and reducing production cost.
磷化镓 (GaP) 是制造发光二极管 (LED) 的重要 Ⅲ-Ⅴ 族化合物半导体材料, 它是采用 LEC 法在高温 (1500℃) 、高压 (3.5 MPa) 下生长, 故比砷化镓 (GaAs) 化合物半导体材料困难。目前, GaP 单晶生长多采用 LEC〈111〉方向, 直径以 Φ50mm 为主。全世界 GaP 材料、外延及芯片制造技术数日本发达。本文介绍了近年来世界 GaP 单晶、外延和 LED 的产销情况及世界各大公司对 GaP 衬底、外延和芯片所具的实力, 并对 GaP 材料及其器件的现状和市场前景进行评述, 希望能对我国的光电材料和器件的发展有借鉴作用。
1 GaP 的主要用途
GaP 单晶主要用作制造 LED 的外延衬底材料。表 1 列出了 GaP 单晶生长方法、外延工艺和制作 LED 的种类。
表1 GaP 衬底制造 LED 种类
单晶生长 方法
工作层/衬底
外延工艺
器件
LEC
GaP/GaP
LPE (液相外延)
LED (红色) LED (绿色)
GaAsP/GaP
VPE (汽相外延)
LED (红色) LED (橙色) LED (黄色)
LED 具有响应快、寿命长、抗震耐冲击、体积小、节能等众多优点。广泛用作家电、音响、电子设备、汽车计程器、移动电话、汽车高位刹车灯、交通信号灯及广告牌、大型显示屏等。90年代后期, 开发了 ZnSe、SiC、GaN 材料用于制造蓝色 LED。这样光的三基色 (红、绿、兰) LED 已全部实现, 以后, 便能呈现出各种颜色, 使其用途进一步扩大。随着技术的发展, LED 将取代照明用的白炽灯作为照明光源。可以预言, 21世纪 LED 将以其明亮和色彩把世界装扮得更加多姿多彩。
2 GaP 材料和器件产销情况
2.1 日本 GaP 材料和器件产销情况
日本是化合物半导体材料和器件的主要生产国家。世界 GaP 衬底供应量 95% 以上来自日本
[1]。据 1995年至1998年统计, 日本生产 GaP 材料的出口量约占总生产量的 50%, 如表2所示
[2,3]。
表2 日本 GaP 材料生产统计/百万日元
年代
1995
1996
1997
1998
国内
8565
7917
9175
7259
出口
8485
6715
9502
6662
合计
17050
14632
18677
13921
对化合物半导体材料, 各国都不报道其年产量, 只能从镓的使用量来推测。从 1995年至 1999年 (估算) 日本生产 GaP 单晶及外延所需的镓用量如表3所示
[4,5]。
表3 日本 GaP 单晶及外延的镓用量/t
年代
1995
1996
1997
1998
1999 (估算)
GaP 单晶
21
17
20
13
13
GaP 外延
21
17
20
12
12
从表3可见, 1997年日本的 GaP 单晶生长及外延的镓用量都是较高的一年 (各为 20t) , 按 90% 成晶合格率推算, 其生产 GaP 单晶约为24t。1998年和 1999年, 镓的用量持平, 估计生产 GaP 单晶也达到 15t/a 左右。1997年以后, 日本生产 GaP 材料减少, 但不能认为 GaP 材料市场需求低迷, 这可能与其将普通 LED 技术向东南亚转移, 而在本国集中力量研究开发其他材料的高档高亮度 LED 的策略有关。表4
[6]列出近年来日本可见光 LED 的销售情况。
表4 日本 GaP 系 LED/GaP 系以外 LED 产销情况/百万日元
年代
1995
1996
1997
1998
国内
8565/3118
7917/3495
9175/3022
7259/4491
出口
8485/2155
6715/1759
9502/3083
6662/3615
合计
17050/5273
14632/5254
18677/7005
13921/8106
由表4可见, 无论是 GaP 系 LED 还是 GaP 系以外的 LED, 日本国内需求及出口各占 50%。同时 GaP 系以外 LED 产量逐年增加, 增长率达 14%。这表明了日本高亮度 LED 的增长速度在加快。
从表5可见, 1997年世界对镓的总需求量为 164t。化合物半导体单晶使用 90t (其中 GaAs 用 70 t, GaP 用 20t) 。化合物半导体材料外延用镓量为 72t (其中 GaAs 用 48t, GaP 用 24t) , 作其他用途及研究开发用镓量为 2t
[8]。对照表3, 1997 年日本生产 GaP 单晶用镓量为 20t, 可见当年世界镓用量全部为日本占有。而世界用在 GaP 外延的24t镓中, 只有4t为其他国家分配, 绝大部分 (20t) 也是由日本占有。
世界 LED 市场也呈现出不断增长趋势, 据 WSTS (世界半导体市场统计) 预测, 1999年世界 LED 市场将增长 14%, 如表6
[9]所示。
表6 世界 LED 市场及预测/百万美元
年代
1996
1997
1998
1999
增长率/%
LED
741
844
954
1092
14
LED 产销主要以日、美为主, 而发展中国家幅员辽阔, 市场潜力大。特别是 1999年韩国、泰国、新加坡、菲律宾、马来西亚和台湾等国家和地区摆脱金融危机, 经济开始回升。用于家电、音响、仪表的低亮度 LED 需求量将不断增大。据 WSTS 预测, 1999年亚太地区发光器件增长率将达到 17%
[9], 如表7所示。
表7 发光器件地区分布占有率及增长率预测/%
地区
1996
1999
增长率
亚太
19
23
17
日本
39
37
9
美国
24
22
9
欧洲
18
18
10
据 1998 年外延片生产、出库量推测, 可见光 LED 芯片世界市场估计为每年 450～500 亿只。台湾地区年生产能力为 220亿只, 日本 180亿只, 欧美 60亿只, 韩国 20亿只, 其他5亿只。按材料划分的年生产能力:GaP系可见光 LED 300亿只;GaAlAs 系可见光 LED 100亿只;GaAs 系红外 LED 50亿只;四元系 LED 30亿只;InGaN 系 LED 3亿只
[1]。由此可见, 目前台湾已成为世界最大的 LED 生产据点。
下面列出全球 GaP 单晶生长、外延工艺及芯片制造的主要公司
[1]。从中我们可以看出这些公司的生产规模、开发情况及所具的实力。
表中日本住友金属矿山是世界上 GaP 材料产能最大的厂家, 世界 GaP 衬底材料的主要供应点。住友电工 1999年3月开发成功 ZnSe 的白色 LED
[1]。三菱化学的主导产品是 GaP 汽相外延, 并把 21世纪光情报通讯的 LD (激光) 、LED 器件作支柱产业发展, 昭和和信越的主导产品是 GaP 液相外延。前者强化以 LED 为中心的化合物半导体产业, 对外延装置增加投入约 30%, 并大力开发超高亮度 LED。后者在 Φ60 mm GaP 单晶上下功夫, 并把 LED 通用技术移向海外, 1995年与我国台湾合资建立 GaP 外延工厂。生产芯片除表中列出的主要厂家以外, 还有台湾地区的光磊、鼎元、光宝、国联及韩国的三星、光学等。由此可见, 无论是 GaP 单晶、外延或是芯片制造均以日本为主。它控制着关键的单晶生长和外延乃至芯片的生产技术, 其举动会直接影响着世界光电市场。
3 市场前景
点光源:普通 LED 工作电压低、安全、省电、寿命长、色彩丰富、价格低。其广泛用于家电、仪器仪表、通信设备、移动电话及玩具。随着应用技术的发展, 这种传统产品将出现新的商机。如各种造型新颖的圣诞灯、多彩球型灯、珠廉窗灯等, 近年在香港及东南亚地区销势强劲。显示屏:机场、车站、比赛场所、股票交易及广告、招牌等极需长寿命、响应快、全彩色室内外显示屏。随着 LED 显示屏制作技术的进步及工艺的改进, 如集成 LED 芯片、器件、元件制成发光模块, 实现特定的功能要求, 可以预测显示屏市场需求量将不断增大。背光源:特别是高效侧部发光, 其背光板厚度可做到 0.7～3.5 mm, 发光效率达到 50%～70%
[1], 具有长寿命、无干扰和性能价格比高等特点, 在电子手表、手机、BP机、电子计算器、刷卡机等广泛应用。随着电子产品小型化, LED 背光源更具优势, 应用范围不断扩大。照明光源:LED 作照明光源替代白炽灯和萤光灯, 将在21世纪实现。日本最近实施“21世纪的照明”计划 (1998～2002年) , 开发高效、蓝色 LED 用的 GaN 及 LED, 并于 2007年实用化。欧美也大力开发照明用的白色 LED。
为什么高亮度 LED 如此受重视?这是因为 LED 光电转换效率高, 亮灭响应速度快, 因而大大降低电力消耗。一般情况下, 钨丝灯泡发光效率为 20lm/W, 萤光灯为 60～80lm/W, 而蓝光 LED 为 120lm/W, 是灯泡电力消耗的 1/6, 萤光灯的 1/2
[1]。城市中商店、公司、机关、办公室、街道、娱乐场所、道路等照明用电量约占整个电力消耗的 20%。据日本估计, 如交通信号灯、霓红灯、广告牌及半数的白炽灯和萤光灯由 LED 代替, 2010年, 将削减能源 (换算为石油) 约 8 亿 L/a
[1]。由此可见 , LED在节约能源、减少污染、改善人们的生活环境等方面都有着重大的意义。
业内人士估计, 目前世界 GaP 红色外延片产量约为 2.5×105cm2/月, 绿色外延片产量约为 7.6×106cm2/月。GaP 红、绿 LED 约占市场总量的 70%左右, 可见中、低亮度的 LED 仍占市场数量的主导地位, 估计有 10% 的增长速度。而今后 LED 的发展趋势是向超高亮度发展, 其增长速度估计达 30%。
4 GaP 材料的发展
目前市场主要供应的红、绿色普通 LED, 主要使用 GaP 衬底材料。超高亮度 LED 主要使用 GaAs、GaN、ZnSe和 SiC 等材料。但有资料报道
[1], AlGaInP 双异质结, 并利用片 (n 型 GaP) 粘合技术制造 LED, 其发光效率超过不滤光 60W 钨丝灯泡, 用 15～20W LED 完全可代替 60W 白炽灯泡, 而且, 寿命超过 105h。这种耐老化、不怕风雨侵蚀、长寿命、高可靠性、节能的高亮度 LED 最适宜作交通信号灯、商业户内外广告及各种户外显示。据介绍, 1996年美国保罗明尼苏达街 (St.Paul, Minn., ) 更换这种灯后, 节约电力 38%, 每年节约能源约 1.7×106kW·h。
综上所述, GaP 系可见光 LED 仍占世界光电市场的重要份额, 并以年增长率 10% 的速度增长。在亚太地区, 其增长速度更快, 达 17%, 在我国近三年可见光 LED 产业平均增长率大于 30%
[1]。目前, 我国有可批量供应 GaP 衬底的生产厂一家;有芯片制造工厂5家;后道封装工厂20多家;还有 LED 显示屏生产厂 150多家
[1]。也就是说, 从单晶材料到器件封装已初具产业规模, 同时, LED 有着广阔的市场, 若能突破 GaP 外延生产和芯片制造技术, 相信我国的 GaP 材料及其 LED 将会出现快速增长势头。为加快这一进程, 我们认为: (1) 国家及当地政府应在资金上支持这一高科技产业。 (2) 大力改善投资环境, 吸引并鼓励更多的国外 (包括境外) 企业投入资金和技术, 在材料、外延及芯片生产方面进行全面合作。这是发展我国光电材料、器件的最快捷途径。
