在LED的制備過程中，上游的襯底材料是決定LED顏色、亮度、壽命等性能指標的主要因素。襯底材料表面的粗糙度、熱膨脹系數、熱傳導系數、極性的影響、表面的加工要求以及與外延材料間晶格間是否匹配，這些因素與高亮度LED的發(fā)光效率與穩(wěn)定性密切相關。因此，襯底材料是半導體照明產業(yè)技術發(fā)展的基石，襯底材料的技術路線必然會影響整個產業(yè)的技術路線，是整個產業(yè)鏈的關鍵。

　　目前半導體照明主要有三條技術路線，分別是以日本日亞化學為代表的藍寶石襯底LED技術路線、以美國CREE為代表的碳化硅襯底LED技術路線，以及以中國晶能光電為代表的硅襯底LED技術路線。2016年1月8日，南昌大學聯合晶能光電的江風益團隊“硅襯底高光效GaN基藍色發(fā)光二極管”技術項目獲得2015年度國家科學技術獎技術發(fā)明類唯一的一等獎，LED業(yè)界中國芯的夢想再次被激發(fā)。硅襯底技術項目的獲獎，說明硅襯底已被國家證實可行，并已提升到國家戰(zhàn)略層面。硅襯底或將迎來規(guī)模化的商業(yè)應用。

　　圖1 LED各種襯底材料的市場占有率(數據來源：YOLE，中信建投證劵研究發(fā)展部)

　　藍寶石(Al2O3)襯底

　　2014 年10 月7 日瑞典皇家科學院宣布：赤崎勇、天野浩和中村修二因發(fā)明“高效藍色發(fā)光二極管”獲得2014 年諾貝爾物理學獎。這3 位科學家的突出貢獻在于，1993年他們突破了在藍寶石襯底上制備高光效GaN 基藍光LED 的核心技術。20多年來，基于藍寶石襯底的GaN 基藍光LED技術和產業(yè)發(fā)展迅猛，占據了襯底市場90%以上的市場份額，成為目前市場上的主流技術路線。

　　藍寶石具有優(yōu)異的光學性能、機械性能和化學穩(wěn)定性，強度高、硬度大、耐沖刷。作為襯底材料，藍寶石具有高溫下(2000℃)化學性質穩(wěn)定好、可見光不易吸收、價格便宜等優(yōu)點。

　　藍寶石襯底也有缺點，比如：第一，晶格失配和熱應力失配會導致外延層中產生大量缺陷，同時給后續(xù)的器件加工工藝造成困難;第二，藍寶石是絕緣體，電阻率很大，無法制成垂直結構的器件;第三，通常只在外延層上表面制作N型和P型電極，造成了有效發(fā)光面積減少，材料利用率降低;第四，藍寶石的硬度非常高，僅次于金剛石，難以對它進行薄化和切割;第五，藍寶石導熱性能不是很好，因此在使用LED器件時，會傳導出大量的熱量，對面積較大的大功率器件，導熱性能是一個非常重要的考慮因素。

　　目前藍寶石襯底的技術發(fā)展比較成熟，不足方面雖然很多，但都被逐個克服，例如：過渡層生長技術克服了較大的晶格失配問題;采用同側 P、N 電極克服了導電性能差的問題;不易切割的問題可以通過雷射劃片機解決;由于熱失配導致的對外延層的壓力問題也可以得到解決。不過，江風益認為，藍寶石襯底很難做到8 英寸至12 英寸等大尺寸外延，且因藍寶石散熱性能差，又難以剝離襯底，故在大功率LED 方面具有性能局限性。

　　藍寶石襯底技術以日亞化學、豐田合成為代表。在藍寶石晶體和晶片制備方面，國外主要集中在日本、美國、俄羅斯等國家，2010 年俄羅斯首次展出了200 mm 藍寶石晶片。我國相對于國外存在較大差距，代表企業(yè)有元亮科技、同人電子、協(xié)鑫光電、重慶四聯光電、中鎵半導體、奧瑞德等。在外延方面，國內除了清華大學、北京大學、南昌大學、中科院半導體所等研究單位外，三安光電、華燦光電、上海北大藍光、南昌欣磊光電、江西聯創(chuàng)光電等企業(yè)在進行外延片的生產與研究。

　　藍寶石材料目前生產能力過剩，低端市場競爭激烈。為延長LED產業(yè)鏈，應當高起點大力推進藍寶石圖形襯底發(fā)展。重點發(fā)展納米級圖形化藍寶石襯底(PSS)、半球形和錐形圖形襯底，以及激光誘導濕法刻蝕(LIBWE)、干法刻蝕等技術。同時，推動藍寶石圖形襯底相關的光刻和刻蝕以及相關檢測設備、材料等發(fā)展。