硅基LED量產在即 直面挑戰藍寶石地位
來源： 作者： 時間：2012-09-26 瀏覽次數：
LED基板市場即將風云變色。東芝與普瑞光電(Bridgelux)合作的硅基板LED芯片，預計將于10月量產；一旦產品順利推出，勢將以更高的性價比優勢，壓縮現今LED市場主流的藍寶石基板生存空間，并促使相關供應商掀起更激烈的價格競爭。
為使LED元件價格更具競爭力，LED基板朝大尺寸化發展已是確立之勢。除目前市場主流的藍寶石(Al203)基板外，日本半導體大廠東芝 (Toshiba)與美國普瑞光電(Bridgelux)合作的8英寸硅基氮化鎵(GaN on Silicon)LED芯片技術，亦是市場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，時程較業界原本預期的最快時間點2013年，整整提前一季;若順利量產，估計可降低75%成本，成為最具價格競爭力的白光LED元件。屆時，大尺寸藍寶石基板的「低價」優勢，恐將不復存在。
大尺寸發展為LED基板競爭關鍵
LED外延基板材料選用，會影響后續外延品質，所以因應不同發光層材料的晶體結構不同，須選用不同材料基板。通常業界選用基板考慮下列幾項要素，包括與晶圓材料的晶體結構相近度高、導電及導熱性佳、容易加工、在晶圓生長環境下穩定性高及價格低廉等。
在多項影響條件中，基板的「晶格常數(Lattice Constant)」及「熱膨脹系數(Thermal Expansion Coefficient)」能否與外延成長的薄膜良好匹配，是影響產品良率的重要關鍵;而基板能否朝大尺寸發展并大規模量產，則是產品邁向商品化時，是否 具競爭力的重點。
藍寶石基板為市場主流
目前氮化物系列外延成長最常使用的基板為藍寶石基板;雖其與氮化鎵晶格常數及熱膨脹系數并非十分匹配，分別有16%和34%的差異(表1)，不過在硬度上 藍寶石表現較硅(Sic)基板為佳，且除了具備透明及高溫狀態穩定等特性，適合氮化物的外延成長外，相較于其他基板，以目前生產藍/綠光LED用的主流尺 寸2英寸(inch)及4英寸藍寶石基板計算，價格亦便宜許多，目前已為市場主流。
碳化硅基板價格競爭力弱
除藍寶石基板外，LED供應商Cree采用碳化硅(6H-SiC)基板來成長氮化物系列材料。氮化硅基板最大優點為導電特性，且晶格常數與氮化只有 3.5%的不匹配(表1)，挾持導電的特性，芯片的正、負電極可做在不同面，有效縮小芯片尺寸，解決電流排擠的問題;不過碳化硅基板價格十分昂貴，成本上 無競爭力。
硅基板適于大尺寸發展
硅(Si-111)基板亦是全球LED供應商積極投入研發的基板材料之一，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展，而硅本身為導電材料(藍寶石基板為非導電材料)，芯片的正、負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勢，但是晶格匹配常數為17%、熱膨脹系數54%與氮化鎵有很大差異(表1)，導致薄膜在成長時或室溫下，易出現破裂、缺陷或晶圓彎曲變形。
另外，硅與鎵之間易產生反應，造成氮化鎵與硅基板的介面出現孔洞，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，便采用Bridgelux獨家緩沖層技術，成功產出在室溫狀態依然平滑的無裂痕晶圓，拉 近與藍寶石基板相近的良率。
LED大廠相繼投入硅基板研發
與其他基板相較，藍寶石基板從2英寸開始發展至今，技術相對成熟，已為市場主流尺寸。不過為追求低成本量產效益，自2011年起廠商陸續轉入4英寸基板開 發，目前逐漸商品化;6英寸基板因面積大型化，易出現破裂等問題，仍以實驗室階段為主，尚無商品化經驗值。
碳化硅基板因Cree積極投入研發多年，目前商品化尺寸為4英寸，自2011年起，該公司也開始朝基板大型化發展;至于硅基板，因看好基板大型化后，硅基板成本較藍寶石和碳化硅基板具低價優勢，目前多數廠商都已投入研發(圖1)。
若以Bridgelux的8英寸芯片計算，目前可產出一千顆大尺寸的合格LED，不過要真正商品化，在同樣大小芯片上，至少要多出一倍產出，達兩千顆左右，所以如何提升硅基板良率是目前開發上的突破關鍵。
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)硅晶圓上長成氮化鎵發光層，這個名為Golden Dragon Plus LED的藍光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634毫瓦 (mW)。
若將UX:3 LED芯片，加上標準封裝中的傳統熒光粉轉換，在350mA操作電流下，發光效率可達127流明/瓦(lm/W)佳績。以一片6英寸晶圓計算，已可制造出 一萬七千顆約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技術在實驗室中，冷白光LED(色溫4350K)，效率可達到160lm/W，暖白光LED(色溫2940K)，效率 可達到125lm/W后;在2012年美國拉斯維加斯「LightFair International」照明展中，也宣布可實現量產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614mW。
法國研究單位Yole D?veloppement資料顯示，以平均1mm2大小的LED芯片為比較基準，硅基板產出的LED，與現有藍寶石及碳化硅基板產品的LED效率發展比較，至2015年LED商品化效率相距無幾，同時也較高壓納燈效率為高。
低成本優勢硅基板備受看好
LED于照明市場的應用目前仍無法被大量采用，主要障礙為價格仍較傳統光源為高，因此如何快速找出解決方案，提供低成本、高品質的LED，已成為全球業者共同努力方向。
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)合計也高達五成以上。為讓LED元件成本有效率下滑，提升價格競爭力，業者已開始投入不同基板材料選擇及研發工作，包括歐司朗、飛利 浦(Philips)、三星(Samsung)、Bridgelux、晶電、Lattice Power及Plessey等大廠。
為進一步降低成本，藍寶石基板開始朝大尺寸發展，然而大尺寸基板價格相較小尺寸昂貴許多。目前2英寸基板售價約8美元，一年前6英寸藍寶石基板價格約 450美元，但幾個月前價格急速下滑到340美元，預期2012年價格可低于300美元。對于達到150美元的價位，業者認為是指日可待的事;不過，就算 是6英寸藍寶石跌到此價位，仍較硅基板貴兩倍。
如果基板持續朝大尺寸發展，以同樣8英寸比較，硅基板除具備良好導電性、導熱性和熱穩 定 性，還可采用與現代半導體生產線相容的制程，在成本上將較藍寶石有優勢。只是現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差異，造成應力釋 放不易，導致外延層龜裂，良率無法提升，成本也會因而增加。
突破良率/產出率硅基板量產指日可待
低價大尺寸基板是發展高性價比LED元件的關鍵，因此許多業者紛紛投入硅基板研發，目前技術障礙不但逐漸克服，同時在LED效率及品質上，也進一步拉近與藍寶石基板間的距離。
東芝正式對外宣布提前量產硅基板的消息，不啻為高性價比LED帶來一線曙光。倘若東芝未來能藉由此技術順利大幅量產LED，則LED照明價格下跌將會加速，LED照明普及時程必能提早實現。
不過，這項新技術要從實驗室走向商品化市場，如何有效拉升良率及產出率，是突破的關鍵;而一旦可大量生產后，勢必對現有使用藍寶石基板業者造成極大沖擊，同時還會掀起一波更激烈的價格戰。
臺灣LED元件廠已積極朝向高性價比發展，且不論在氮化鎵或硅技術上都有深厚的產學研能量，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，解決應力問題。只是眼看著日商已對外宣示將邁入硅基板商品化的同時，臺灣業者也得加緊腳步，做好準備，以面對未來可能發生的 嚴峻挑戰。
