硅基LED量产在即 直面挑战蓝宝石地位
来源： 作者： 时间：2012-09-26 浏览次数：
LED基板市场即将风云变色。东芝与普瑞光电(Bridgelux)合作的硅基板LED芯片，预计将于10月量产；一旦产品顺利推出，势将以更高的性价比优势，压缩现今LED市场主流的蓝宝石基板生存空间，并促使相关供应商掀起更激烈的价格竞争。
为使LED元件价格更具竞争力，LED基板朝大尺寸化发展已是确立之势。除目前市场主流的蓝宝石(Al203)基板外，日本半导体大厂东芝 (Toshiba)与美国普瑞光电(Bridgelux)合作的8英寸硅基氮化镓(GaN on Silicon)LED芯片技术，亦是市场看好的大尺寸基板材料之一。
日前东芝已宣布，硅基板将于今年10月投产，时程较业界原本预期的最快时间点2013年，整整提前一季;若顺利量产，估计可降低75%成本，成为最具价格竞争力的白光LED元件。届时，大尺寸蓝宝石基板的「低价」优势，恐将不复存在。
大尺寸发展为LED基板竞争关键
LED外延基板材料选用，会影响后续外延品质，所以因应不同发光层材料的晶体结构不同，须选用不同材料基板。通常业界选用基板考虑下列几项要素，包括与晶圆材料的晶体结构相近度高、导电及导热性佳、容易加工、在晶圆生长环境下稳定性高及价格低廉等。
在多项影响条件中，基板的「晶格常数(Lattice Constant)」及「热膨胀系数(Thermal Expansion Coefficient)」能否与外延成长的薄膜良好匹配，是影响产品良率的重要关键;而基板能否朝大尺寸发展并大规模量产，则是产品迈向商品化时，是否 具竞争力的重点。
蓝宝石基板为市场主流
目前氮化物系列外延成长最常使用的基板为蓝宝石基板;虽其与氮化镓晶格常数及热膨胀系数并非十分匹配，分别有16%和34%的差异(表1)，不过在硬度上 蓝宝石表现较硅(Sic)基板为佳，且除了具备透明及高温状态稳定等特性，适合氮化物的外延成长外，相较于其他基板，以目前生产蓝/绿光LED用的主流尺 寸2英寸(inch)及4英寸蓝宝石基板计算，价格亦便宜许多，目前已为市场主流。
碳化硅基板价格竞争力弱
除蓝宝石基板外，LED供应商Cree采用碳化硅(6H-SiC)基板来成长氮化物系列材料。氮化硅基板最大优点为导电特性，且晶格常数与氮化只有 3.5%的不匹配(表1)，挟持导电的特性，芯片的正、负电极可做在不同面，有效缩小芯片尺寸，解决电流排挤的问题;不过碳化硅基板价格十分昂贵，成本上 无竞争力。
硅基板适于大尺寸发展
硅(Si-111)基板亦是全球LED供应商积极投入研发的基板材料之一，最大特色在于可与硅电子元件整合、高散热、低成本及适合大型化发展，而硅本身为导电材料(蓝宝石基板为非导电材料)，芯片的正、负电极可做在芯片两边，缩小芯片尺寸。
虽硅基板在成本上具优势，但是晶格匹配常数为17%、热膨胀系数54%与氮化镓有很大差异(表1)，导致薄膜在成长时或室温下，易出现破裂、缺陷或晶圆弯曲变形。
另外，硅与镓之间易产生反应，造成氮化镓与硅基板的介面出现孔洞，须要加入一层氮化铝做为缓冲层(Buffer Layer)。东芝与Bridgelux合作的8英寸硅基板技术，便采用Bridgelux独家缓冲层技术，成功产出在室温状态依然平滑的无裂痕晶圆，拉 近与蓝宝石基板相近的良率。
LED大厂相继投入硅基板研发
与其他基板相较，蓝宝石基板从2英寸开始发展至今，技术相对成熟，已为市场主流尺寸。不过为追求低成本量产效益，自2011年起厂商陆续转入4英寸基板开 发，目前逐渐商品化;6英寸基板因面积大型化，易出现破裂等问题，仍以实验室阶段为主，尚无商品化经验值。
碳化硅基板因Cree积极投入研发多年，目前商品化尺寸为4英寸，自2011年起，该公司也开始朝基板大型化发展;至于硅基板，因看好基板大型化后，硅基板成本较蓝宝石和碳化硅基板具低价优势，目前多数厂商都已投入研发(图1)。
若以Bridgelux的8英寸芯片计算，目前可产出一千颗大尺寸的合格LED，不过要真正商品化，在同样大小芯片上，至少要多出一倍产出，达两千颗左右，所以如何提升硅基板良率是目前开发上的突破关键。
另一方面，欧司朗(Osram)也已于2012年初，成功研制在直径150毫米(6英寸)硅晶圆上长成氮化镓发光层，这个名为Golden Dragon Plus LED的蓝光UX:3芯片，在尺寸大小1平方毫米(mm2)，色温4500K，电流350毫安培(mA)(电压3.5伏特)操作下，亮度可达634毫瓦 (mW)。
若将UX:3 LED芯片，加上标准封装中的传统荧光粉转换，在350mA操作电流下，发光效率可达127流明/瓦(lm/W)佳绩。以一片6英寸晶圆计算，已可制造出 一万七千颗约1平方毫米大小的LED芯片。此外，欧司朗研究人员也已研发出200毫米(约8英寸)的基板。
Bridgelux继 2011年8月宣布，以硅基板LED技术在实验室中，冷白光LED(色温4350K)，效率可达到160lm/W，暖白光LED(色温2940K)，效率 可达到125lm/W后;在2012年美国拉斯维加斯「LightFair International」照明展中，也宣布可实现量产8英寸硅基氮化镓的GaN型LED。该公司目前效率最好的LED芯片，在尺寸大小1mm2，电流 350mA(电压小于3.5V)的操作下，亮度可达614mW。
法国研究单位Yole D?veloppement资料显示，以平均1mm2大小的LED芯片为比较基准，硅基板产出的LED，与现有蓝宝石及碳化硅基板产品的LED效率发展比较，至2015年LED商品化效率相距无几，同时也较高压纳灯效率为高。
低成本优势硅基板备受看好
LED于照明市场的应用目前仍无法被大量采用，主要障碍为价格仍较传统光源为高，因此如何快速找出解决方案，提供低成本、高品质的LED，已成为全球业者共同努力方向。
以一盏LED筒灯成本为例，其中LED元件成本就占45%分析(图2)，若进一步拆解LED元件成本，其中前段的外延(Wafer Processing)和芯片成本(Epitaxy and Substrate)合计也高达五成以上。为让LED元件成本有效率下滑，提升价格竞争力，业者已开始投入不同基板材料选择及研发工作，包括欧司朗、飞利 浦(Philips)、三星(Samsung)、Bridgelux、晶电、Lattice Power及Plessey等大厂。
为进一步降低成本，蓝宝石基板开始朝大尺寸发展，然而大尺寸基板价格相较小尺寸昂贵许多。目前2英寸基板售价约8美元，一年前6英寸蓝宝石基板价格约 450美元，但几个月前价格急速下滑到340美元，预期2012年价格可低于300美元。对于达到150美元的价位，业者认为是指日可待的事;不过，就算 是6英寸蓝宝石跌到此价位，仍较硅基板贵两倍。
如果基板持续朝大尺寸发展，以同样8英寸比较，硅基板除具备良好导电性、导热性和热稳 定 性，还可采用与现代半导体生产线相容的制程，在成本上将较蓝宝石有优势。只是现阶段硅基板良率不够理想，因材料本身与氮化镓的热膨胀系数差异，造成应力释 放不易，导致外延层龟裂，良率无法提升，成本也会因而增加。
突破良率/产出率硅基板量产指日可待
低价大尺寸基板是发展高性价比LED元件的关键，因此许多业者纷纷投入硅基板研发，目前技术障碍不但逐渐克服，同时在LED效率及品质上，也进一步拉近与蓝宝石基板间的距离。
东芝正式对外宣布提前量产硅基板的消息，不啻为高性价比LED带来一线曙光。倘若东芝未来能藉由此技术顺利大幅量产LED，则LED照明价格下跌将会加速，LED照明普及时程必能提早实现。
不过，这项新技术要从实验室走向商品化市场，如何有效拉升良率及产出率，是突破的关键;而一旦可大量生产后，势必对现有使用蓝宝石基板业者造成极大冲击，同时还会掀起一波更激烈的价格战。
台湾LED元件厂已积极朝向高性价比发展，且不论在氮化镓或硅技术上都有深厚的产学研能量，而工研院电光所也利用Porous SiNC Buffer Layer、LT AIN Interlayer、AlGaN Graded Layer ，以及奈米柱缺陷减低等技术，解决应力问题。只是眼看着日商已对外宣示将迈入硅基板商品化的同时，台湾业者也得加紧脚步，做好准备，以面对未来可能发生的 严峻挑战。
