追趕藍(lán)寶石難度加大 硅基GaN春天在哪里？
近日，《日經(jīng)技術(shù)在線》刊載的一篇文章分析稱，關(guān)于使用硅基GaN基板的LED，雖然其性能與現(xiàn)在占據(jù)市場的藍(lán)寶石基板LED相當(dāng)，但在量產(chǎn)方面還存在問題。而且，現(xiàn)在的藍(lán)寶石基板價(jià)格不斷下跌，在藍(lán)寶石基板上形成的LED的性能也在逐漸提升。舉例來說，最近PSS(圖案化藍(lán)寶石基板)被大規(guī)模應(yīng)用，大幅提高了藍(lán)寶石基板LED的亮度。因此，硅基GaN基板追趕藍(lán)寶石基板的難度越來越大。
在Si基板上形成的LED應(yīng)該比藍(lán)寶石基板LED便宜得多。硅晶圓的價(jià)格一直低于藍(lán)寶石晶圓，今后這一情況也仍將繼續(xù)，因此使用硅基GaN基板的削減成本的效果可立即表現(xiàn)出來。削減成本最有效的方式是在自動(dòng)化程度高、已經(jīng)完成了折舊的Si-CMOS工廠加工磊晶晶圓。LED制造工藝與CMOS生產(chǎn)線完全兼容，無需追加投資這一點(diǎn)也非常重要。
但成本削減的效果也有可能被制造中的問題抵消掉，這個(gè)問題就是，Si與GaN的熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)不同，兩者之間存在熱失配和晶格失配，會(huì)造成 LED的外延晶圓龜裂或是彎曲。Si基板通常會(huì)設(shè)置位錯(cuò)控制層，但在量產(chǎn)時(shí)很難進(jìn)行位錯(cuò)控制。因此難以建立起可以重現(xiàn)的穩(wěn)定高成品率的量產(chǎn)工藝。
硅基GaN基板量產(chǎn)企業(yè)正在試圖擺脫壟斷
文章指出，面向市場量產(chǎn)硅基GaN基板LED的企業(yè)只有中國的晶能光電一家。在整個(gè)LED市場上，該技術(shù)所占份額還不到1％。德國歐司朗光電半導(dǎo)體(Osram Opto Semiconductors)恐怕將成為最大規(guī)模的新進(jìn)企業(yè)。該公司現(xiàn)在使用的是150mm晶圓(6英寸)的試產(chǎn)線，硅基GaN基板的性能正在逐漸逼近藍(lán)寶石基板，到使用200mm(8英寸)生產(chǎn)線進(jìn)行量產(chǎn)估計(jì)需要2年左右的時(shí)間。
另一方面，美國普瑞光電(Bridgelux)曾在2011年宣布，將把全部產(chǎn)品從藍(lán)寶石基板改換為Si基板，并發(fā)布了多款高性能LED，但比藍(lán)寶石基 板 產(chǎn)品的性能要差一些。當(dāng)時(shí)，該公司使用1枚200mm的晶圓能夠生產(chǎn)約1000枚芯片，而具有商業(yè)吸引力的產(chǎn)量約為2萬枚，但如果現(xiàn)在的產(chǎn)量接近這個(gè)數(shù)字 的話就會(huì)有一定優(yōu)勢。普瑞光電正準(zhǔn)備與東芝合作，從2013年開始在日本使用200mm硅晶圓進(jìn)行生產(chǎn)。美國飛利浦流明也是享受美國能源部補(bǔ)貼開發(fā)Si基 板的主要LED企業(yè)，該公司發(fā)表的關(guān)于75mm(3英寸)晶圓的研究結(jié)果備受矚目，現(xiàn)在研究的對(duì)象是150mm晶圓。除此之外，韓國三星也對(duì)使用 200mm硅晶圓制造的器件進(jìn)行了驗(yàn)證。
低價(jià)格不斷催生新技術(shù)
通過采用新技術(shù)，200mm藍(lán)寶石晶圓有望投入使 用，與Si晶圓展開競爭。而且，藍(lán)寶石晶圓的價(jià)格也在急劇下跌，150mm晶圓的價(jià)格在1年前為450美元，現(xiàn)在已經(jīng)降到了220～270美元，到 2012年低或許將跌破200美元大關(guān)，之后還有可能很快跌至150美元。即便如此，藍(lán)寶石晶圓的價(jià)格仍然接近Si晶圓的2倍，但這依然稱得上是新進(jìn)企業(yè) 引發(fā)價(jià)格競爭帶來的一大進(jìn)步。
新一輪價(jià)格下跌的推手，將是大尺寸藍(lán)寶石晶體的制造設(shè)備的供應(yīng)商，藍(lán)寶石基板通過切割藍(lán)寶石晶體制成的。在2年前，晶體的重量為25～35kg，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了80～100kg。有些企業(yè)甚至能夠生產(chǎn)100kg以上的晶體。
其他的新的晶體生長技術(shù)或許能夠使成品率達(dá)到以前的2倍以上。但在現(xiàn)在，這些技術(shù)只能應(yīng)用于不足50kg的晶體。一般來說，藍(lán)寶石晶 體沿A面生長，基板 的取向與C面平行。其目的是為了把與GaN的晶格失配控制在最低限度。在制作基板時(shí)，要沿垂直于軸的方向從晶體中掏取出晶片，因此，原料成品率不足 30％。而現(xiàn)在，晶體已經(jīng)可以沿C面在軸上生長，可以像切面包一樣對(duì)晶體進(jìn)行切片，原料成品率提高到了85％。但是，由于要緩慢地從晶體中抽取晶片，因此 周期時(shí)間將會(huì)增加。由此可知，無論是在軸上生長晶體塊的技術(shù)，還是培養(yǎng)更大晶體塊的技術(shù)，都能夠使成本顯著下降。而且，還可能有其他技術(shù)登場。例如，帶狀 生長(EFG)是一門難以掌握的技術(shù)，但對(duì)于大于150mm的晶圓，該技術(shù)有望提高成本效率。
使用硅基GaN基板的LED要想戰(zhàn)勝性能越來越高的藍(lán)寶石基板LED、降低成本，目前還面臨著很大的問題，硅基GaN基板LED甚至有可能永遠(yuǎn)摘不下“未來技術(shù)”的帽子，永無出頭之日。硅基 GaN基板LED能否奪取部分市場，或是完全取代藍(lán)寶石基板呢？就目前而言，Si基板LED還是強(qiáng)大的競爭對(duì)手。
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