硅基LED量產(chǎn)在即 直面挑戰(zhàn)藍(lán)寶石地位
LED基板市場(chǎng)即將風(fēng)云變色。東芝與普瑞光電(Bridgelux)合作的硅基板LED芯片，預(yù)計(jì)將于10月量產(chǎn)；一旦產(chǎn)品順利推出，勢(shì)將以更高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，壓縮現(xiàn)今LED市場(chǎng)主流的藍(lán)寶石基板生存空間，并促使相關(guān)供應(yīng)商掀起更激烈的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)。
為使LED元件價(jià)格更具競(jìng)爭(zhēng)力，LED基板朝大尺寸化發(fā)展已是確立之勢(shì)。除目前市場(chǎng)主流的藍(lán)寶石(Al203)基板外，日本半導(dǎo)體大廠東芝(Toshiba)與美國(guó)普瑞光電(Bridgelux)合作的8英寸硅基氮化鎵(GaN on Silicon)LED芯片技術(shù)，亦是市場(chǎng)看好的大尺寸基板材料之一。
日前東芝已宣布，硅基板將于今年10月投產(chǎn)，時(shí)程較業(yè)界原本預(yù)期的最快時(shí)間點(diǎn)2013年，整整提前一季;若順利量產(chǎn)，估計(jì)可降低75%成本，成為最具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的白光LED元件。屆時(shí)，大尺寸藍(lán)寶石基板的「低價(jià)」優(yōu)勢(shì)，恐將不復(fù)存在。
大尺寸發(fā)展為LED基板競(jìng)爭(zhēng)關(guān)鍵
LED外延基板材料選用，會(huì)影響后續(xù)外延品質(zhì)，所以因應(yīng)不同發(fā)光層材料的晶體結(jié)構(gòu)不同，須選用不同材料基板。通常業(yè)界選用基板考慮下列幾項(xiàng)要素，包括與晶圓材料的晶體結(jié)構(gòu)相近度高、導(dǎo)電及導(dǎo)熱性佳、容易加工、在晶圓生長(zhǎng)環(huán)境下穩(wěn)定性高及價(jià)格低廉等。
在多項(xiàng)影響條件中，基板的「晶格常數(shù)(Lattice Constant)」及「熱膨脹系數(shù)(Thermal Expansion Coefficient)」能否與外延成長(zhǎng)的薄膜良好匹配，是影響產(chǎn)品良率的重要關(guān)鍵;而基板能否朝大尺寸發(fā)展并大規(guī)模量產(chǎn)，則是產(chǎn)品邁向商品化時(shí)，是否具競(jìng)爭(zhēng)力的重點(diǎn)。
藍(lán)寶石基板為市場(chǎng)主流
目前氮化物系列外延成長(zhǎng)最常使用的基板為藍(lán)寶石基板;雖其與氮化鎵晶格常數(shù)及熱膨脹系數(shù)并非十分匹配，分別有16%和34%的差異(表1)，不過(guò)在硬度上藍(lán)寶石表現(xiàn)較硅(Sic)基板為佳，且除了具備透明及高溫狀態(tài)穩(wěn)定等特性，適合氮化物的外延成長(zhǎng)外，相較于其他基板，以目前生產(chǎn)藍(lán)/綠光LED用的主流尺寸2英寸(inch)及4英寸藍(lán)寶石基板計(jì)算，價(jià)格亦便宜許多，目前已為市場(chǎng)主流。
碳化硅基板價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力弱
除藍(lán)寶石基板外，LED供應(yīng)商Cree采用碳化硅(6H-SiC)基板來(lái)成長(zhǎng)氮化物系列材料。氮化硅基板最大優(yōu)點(diǎn)為導(dǎo)電特性，且晶格常數(shù)與氮化只有3.5%的不匹配(表1)，挾持導(dǎo)電的特性，芯片的正、負(fù)電極可做在不同面，有效縮小芯片尺寸，解決電流排擠的問(wèn)題;不過(guò)碳化硅基板價(jià)格十分昂貴，成本上無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力。
硅基板適于大尺寸發(fā)展
硅(Si-111)基板亦是全球LED供應(yīng)商積極投入研發(fā)的基板材料之一，最大特色在于可與硅電子元件整合、高散熱、低成本及適合大型化發(fā)展，而硅本身為導(dǎo)電材料(藍(lán)寶石基板為非導(dǎo)電材料)，芯片的正、負(fù)電極可做在芯片兩邊，縮小芯片尺寸。
雖硅基板在成本上具優(yōu)勢(shì)，但是晶格匹配常數(shù)為17%、熱膨脹系數(shù)54%與氮化鎵有很大差異(表1)，導(dǎo)致薄膜在成長(zhǎng)時(shí)或室溫下，易出現(xiàn)破裂、缺陷或晶圓彎曲變形。
另外，硅與鎵之間易產(chǎn)生反應(yīng)，造成氮化鎵與硅基板的介面出現(xiàn)孔洞，須要加入一層氮化鋁做為緩沖層(Buffer Layer)。東芝與Bridgelux合作的8英寸硅基板技術(shù)，便采用Bridgelux獨(dú)家緩沖層技術(shù)，成功產(chǎn)出在室溫狀態(tài)依然平滑的無(wú)裂痕晶圓，拉近與藍(lán)寶石基板相近的良率。
LED大廠相繼投入硅基板研發(fā)
與其他基板相較，藍(lán)寶石基板從2英寸開(kāi)始發(fā)展至今，技術(shù)相對(duì)成熟，已為市場(chǎng)主流尺寸。不過(guò)為追求低成本量產(chǎn)效益，自2011年起廠商陸續(xù)轉(zhuǎn)入4英寸基板開(kāi)發(fā)，目前逐漸商品化;6英寸基板因面積大型化，易出現(xiàn)破裂等問(wèn)題，仍以實(shí)驗(yàn)室階段為主，尚無(wú)商品化經(jīng)驗(yàn)值。
碳化硅基板因Cree積極投入研發(fā)多年，目前商品化尺寸為4英寸，自2011年起，該公司也開(kāi)始朝基板大型化發(fā)展;至于硅基板，因看好基板大型化后，硅基板成本較藍(lán)寶石和碳化硅基板具低價(jià)優(yōu)勢(shì)，目前多數(shù)廠商都已投入研發(fā)。
若以Bridgelux的8英寸芯片計(jì)算，目前可產(chǎn)出一千顆大尺寸的合格LED，不過(guò)要真正商品化，在同樣大小芯片上，至少要多出一倍產(chǎn)出，達(dá)兩千顆左右，所以如何提升硅基板良率是目前開(kāi)發(fā)上的突破關(guān)鍵。
另一方面，歐司朗(Osram)也已于2012年初，成功研制在直徑150毫米(6英寸)硅晶圓上長(zhǎng)成氮化鎵發(fā)光層，這個(gè)名為Golden Dragon Plus LED的藍(lán)光UX:3芯片，在尺寸大小1平方毫米(mm2)，色溫4500K，電流350毫安培(mA)(電壓3.5伏特)操作下，亮度可達(dá)634毫瓦(mW)。
若將UX:3 LED芯片，加上標(biāo)準(zhǔn)封裝中的傳統(tǒng)熒光粉轉(zhuǎn)換，在350mA操作電流下，發(fā)光效率可達(dá)127流明/瓦(lm/W)佳績(jī)。以一片6英寸晶圓計(jì)算，已可制造出一萬(wàn)七千顆約1平方毫米大小的LED芯片。此外，歐司朗研究人員也已研發(fā)出200毫米(約8英寸)的基板。
Bridgelux繼2011年8月宣布，以硅基板LED技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中，冷白光LED(色溫4350K)，效率可達(dá)到160lm/W，暖白光LED(色溫2940K)，效率可達(dá)到125lm/W后;在2012年美國(guó)拉斯維加斯「LightFair International」照明展中，也宣布可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)8英寸硅基氮化鎵的GaN型LED。該公司目前效率最好的LED芯片，在尺寸大小1mm2，電流350mA(電壓小于3.5V)的操作下，亮度可達(dá)614mW。
法國(guó)研究單位Yole D?veloppement資料顯示，以平均1mm2大小的LED芯片為比較基準(zhǔn)，硅基板產(chǎn)出的LED，與現(xiàn)有藍(lán)寶石及碳化硅基板產(chǎn)品的LED效率發(fā)展比較，至2015年LED商品化效率相距無(wú)幾，同時(shí)也較高壓納燈效率為高。
具低成本優(yōu)勢(shì)硅基板備受看好
LED于照明市場(chǎng)的應(yīng)用目前仍無(wú)法被大量采用，主要障礙為價(jià)格仍較傳統(tǒng)光源為高，因此如何快速找出解決方案，提供低成本、高品質(zhì)的LED，已成為全球業(yè)者共同努力方向。
以一盞LED筒燈成本為例，其中LED元件成本就占45%分析(圖2)，若進(jìn)一步拆解LED元件成本，其中前段的外延(Wafer Processing)和芯片成本(Epitaxy and Substrate)合計(jì)也高達(dá)五成以上。為讓LED元件成本有效率下滑，提升價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，業(yè)者已開(kāi)始投入不同基板材料選擇及研發(fā)工作，包括歐司朗、飛利浦(Philips)、三星(Samsung)、Bridgelux、晶電、Lattice Power及Plessey等大廠。
為進(jìn)一步降低成本，藍(lán)寶石基板開(kāi)始朝大尺寸發(fā)展，然而大尺寸基板價(jià)格相較小尺寸昂貴許多。目前2英寸基板售價(jià)約8美元，一年前6英寸藍(lán)寶石基板價(jià)格約450美元，但幾個(gè)月前價(jià)格急速下滑到340美元，預(yù)期2012年價(jià)格可低于300美元。對(duì)于達(dá)到150美元的價(jià)位，業(yè)者認(rèn)為是指日可待的事;不過(guò)，就算是6英寸藍(lán)寶石跌到此價(jià)位，仍較硅基板貴兩倍。
如果基板持續(xù)朝大尺寸發(fā)展，以同樣8英寸比較，硅基板除具備良好導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性，還可采用與現(xiàn)代半導(dǎo)體生產(chǎn)線相容的制程，在成本上將較藍(lán)寶石有優(yōu)勢(shì)。只是現(xiàn)階段硅基板良率不夠理想，因材料本身與氮化鎵的熱膨脹系數(shù)差異，造成應(yīng)力釋放不易，導(dǎo)致外延層龜裂，良率無(wú)法提升，成本也會(huì)因而增加。
突破良率/產(chǎn)出率硅基板量產(chǎn)指日可待
低價(jià)大尺寸基板是發(fā)展高性價(jià)比LED元件的關(guān)鍵，因此許多業(yè)者紛紛投入硅基板研發(fā)，目前技術(shù)障礙不但逐漸克服，同時(shí)在LED效率及品質(zhì)上，也進(jìn)一步拉近與藍(lán)寶石基板間的距離。
東芝正式對(duì)外宣布提前量產(chǎn)硅基板的消息，不啻為高性價(jià)比LED帶來(lái)一線曙光。倘若東芝未來(lái)能藉由此技術(shù)順利大幅量產(chǎn)LED，則LED照明價(jià)格下跌將會(huì)加速，LED照明普及時(shí)程必能提早實(shí)現(xiàn)。
不過(guò)，這項(xiàng)新技術(shù)要從實(shí)驗(yàn)室走向商品化市場(chǎng)，如何有效拉升良率及產(chǎn)出率，是突破的關(guān)鍵;而一旦可大量生產(chǎn)后，勢(shì)必對(duì)現(xiàn)有使用藍(lán)寶石基板業(yè)者造成極大沖擊，同時(shí)還會(huì)掀起一波更激烈的價(jià)格戰(zhàn)。
臺(tái)灣LED元件廠已積極朝向高性價(jià)比發(fā)展，且不論在氮化鎵或硅技術(shù)上都有深厚的產(chǎn)學(xué)研能量，而工研院電光所也利用Porous SiNC Buffer Layer、LT AIN Interlayer、AlGaN Graded Layer，以及奈米柱缺陷減低等技術(shù)，解決應(yīng)力問(wèn)題。只是眼看著日商已對(duì)外宣示將邁入硅基板商品化的同時(shí)，臺(tái)灣業(yè)者也得加緊腳步，做好準(zhǔn)備，以面對(duì)未來(lái)可能發(fā)生的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
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