藍寶石、碳化矽兩強相爭勝負未定,矽基板GaN基板可能會異軍突起牽動LED全球產業局勢

在剛拉上帷幕的拉斯維加斯美國LightFair International 2012照明展,美商Bridgelux行銷副總裁Jason Posselt宣傳該公司已經可實現量產8吋矽基板的GaN型LED。

Jason Posselt指出,該公司先前已經打造出每瓦135流明的GaN-On-Silicon LED,在矽基板上面長晶,這種方法最大的意義在於要降低大尺寸晶圓在生產為LED時的成本,同時,矽基板的價格比藍寶石基板的價格要低。過去以來,這項技術並沒有受到太大重視的原因是良率、成本與技術門檻。如今,該公司已經成功地打造出具備足夠競爭力的產品,同時也獲得許多市場客戶的選用。Bridgelux這次發表的最新成果,是614mW, <3.1V@350mA的1.1mm尺寸LED,是目前8吋矽基LED最高效率的產品,該公司強調未來會繼續發表這方面的進度與發展。

在產能方面,矽基板已經是半導體行業最普遍的基板材料,其中8吋晶圓廠設備已經老舊,矽基板的LED可以對原有的產能很方便的利用。Bridgelux策略是與日本大廠東芝合作,兩家公司將以東芝在亞洲的某間8吋晶圓廠產能,搭配最新改良的GaN-On-Silicon技術,量產8吋矽基板LED,2013年量產的影響可能不小,預期可降低75%的成本。

LEDinside認為這項發展,其實牽動了以藍寶石基板為基礎的現有大部分LED晶元產業,原本市場預期的技術進展並沒有那麼地快,但是Bridgelux的這項突破很有可能改變現有的競爭格局,引發不同技術進步路徑的激烈交鋒。

基板材料是半導體照明產業技術發展的基石。不同的基板材料,需要不同的外延生長技術、晶元加工技術和器件封裝技術,基板材料決定了半導體照明技術的發展路線。基板材料的選擇主要取決於以下九個方面:
[1]結構特性好,外延材料與基板的晶體結構相同或相近、晶格常數失配度小、結晶性能好、缺陷密度小;
[2]界面特性好,有利於外延材料成核且黏附性強;
[3]化學穩定性好,在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕;
[4]熱學性能好,包括導熱性好和熱失配度小;
[5]導電性好,能製成上下結構;
[6]光學性能好,製作的器件所發出的光被基板吸收小;
[7]機械性能好,器件容易加工,包括減薄、拋光和切割等;
[8]價格低廉;
[9]大尺寸,一般要求直徑不小於2英吋。

藍寶石/Al2O3

目前用於氮化鎵生長的最普遍的基板是Al2O3,其優點是化學穩定性好、不吸收可見光、價格適中、製造技術相對成熟;不足方面雖然很多,但均一一被克服,如很大的晶格失配被過渡層生長技術所克服,導電性能差通過同側P、N電極所克服,機械性能差不易切割通過激光划片所克服,很大的熱失配對外延層形成壓應力因而不會龜裂。但是,差的導熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足,卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。

部分廠商用倒裝晶元(flip-chip)來製備功率型器件來克服這個問題。國際市場上Al2O3基板今後的研發任務是生長大直徑的Al2O3單晶,向4-6英吋方向發展,以及降低雜質污染和提高表面拋光質量。目前主流藍寶石基板片廠商均能夠實現6吋批量交貨。韓廠三星LED已將絕大部分產能轉為6吋。不過目前中國的晶元廠主流採用的還是2吋片,主要是基於成本的考慮。

根據LEDinside調研目前基板市場價格如下表:



4吋面積僅為2吋的4倍,但是價格卻為接近2吋片的7倍。

碳化矽/SiC

除了Al2O3基板外,目前用於氮化鎵生長的基板就是SiC,它在市場上的佔有率位居第二,它有許多突出的優點,如化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等,但不足方面也很突出,如價格太高、晶體質量難以達到Al2O3和Si那麼好、機械加工性能比較差。 另外,SiC基板吸收380 nm以下的紫外線,不適合用來研發380 nm以下的紫外線LED。

由於SiC基板優異的的導電性能和導熱性能,不需要像Al2O3基板上功率型氮化鎵LED器件採用倒裝焊技術解決散熱問題,而是採用上下電極結構,可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題,故在發展中的半導體照明技術領域佔有重要地位。目前國際上能提供商用的高品質SiC基板的廠家只有美國CREE公司,Cree公司于2012年4月12日宣布,其白光功率型LED光效再度創下LED產業最高紀錄,達到254 lm/W。這一記錄要比Al2O3基板實現的最高光效記錄高了近百個lm。SiC基板今後研發的任務是大幅度降低製造成本和提高晶體結晶品質。

矽/Si

在矽基板上製備發光二極體是本領域里夢寐以求的一件事情,因為一旦技術獲得突破,外延生長成本和器件加工成本將大幅度下降。Si片作為GaN材料的基板有許多優點,如晶體質量高,尺寸大,成本低,易加工,良好的導電性、導熱性和熱穩定性等。然而,由於GaN外延層與Si基板之間存在巨大的晶格失配和熱失配,以及在GaN的生長過程中容易形成非晶氮化矽,所以在Si 基板上很難得到無龜裂及器件級質量的GaN材料。另外,由於矽基板對光的吸收嚴重,LED出光效率低等缺陷。

不過由Bridgelux這次發表的最新成果614mW, <3.1V@350mA的1.1mm尺寸LED來看,內量子效率已經取得重大進展。結合早先OSRAM發布的一款6吋矽基板上生長的藍光晶元,光功率也達到了3.15V時達到634mW,矽基板LED在光效上已經非常逼近Al2O3基板。

 

上面是Osram推出的矽基板LED產品:UX:3

氮化鎵/GaN

用於氮化鎵生長的最理想的基板自然是氮化鎵單晶材料,這樣可以大大提高外延膜的晶體質量,降低位錯密度,提高器件工作壽命,提高內量子效率,提高器件工作電流密度。可是,製備氮化鎵體單晶材料非常困難,到目前為止尚未有易於量產且行之有效的辦法。有研究人員通過HVPE方法在其他基板(如Al2O3、SiC)上生長氮化鎵厚膜,然後通過剝離技術實現基板和氮化鎵厚膜的分離,分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的基板。這樣獲得的氮化鎵厚膜優點非常明顯,即以它為基板外延的氮化鎵薄膜的位錯密度,比在Al2O3 、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位錯密度要明顯低;但價格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導體照明的基板之用受到限制。

不過由三菱化學已經宣稱能夠量產GaN加基板。已投下約5億日圓在水島事業所內興建基板加工產線,並於4月完工,之後將於7月進行基板樣品出貨,並將於10月正式量產直徑為2吋的GaN基板,月產量為500片(可供應10萬個LED燈泡使用)。三菱計劃于2013年將GaN基板月產能大幅倍增至6,000片(以直徑2吋的產品換算;以下同),之後並計劃于2015年進一步擴增至30,000片的規模,以借此一口氣掌握業界標準,預估三菱化學對GaN基板的總投資額將達數百億日圓。

和現行主流的藍寶石基板相比,GaN基板雖具有轉換效率高(約為三倍)等優點,惟最大難題在於生產成本過高,但因三菱化學已確立了高效率的生產技術,故從中長期來看,三菱化學分析其成本面應可抗衡藍寶石基板。該項目與藍光LED之父中村修二博士的在加州大學芭芭拉分校(UCSB)的研究有關。先前市場也有消息指出,三菱化學與藍光LED之父中村修二已成功運用液相沉積法生產出氮化鎵(GaN)晶體。

中國也有公司在這方面展開探索,蘇州納維宣稱能量產直徑2吋厚度為300μm的非極性自支撐的GaN基板,這為國際市場上外延晶元廠探索GaN基外延提供了很好的基礎。不過,就市場發展當前狀況而言,中國本土廠商在這方面的技術發展,還有一段時間要趕上國際進度。

LEDinside觀點

Ledinside分析,更多不同LED基板技術的選擇,對保持LED產業的活力至關重要,因為這意味著更多的創新和顛覆性的突破的機會,在與傳統產業競爭中取得更大的競爭優勢,更快實現綠色節能照明普及的目標。

同時,這也為那些缺少核心技術和通路資源卻動輒數億、數十億甚至到百億資金豪賭的廠商來說,是個重要的啟示,科技產業雖然有著嚴重的路徑依賴,但是顛覆性的技術創新也隨時會出現,錯誤的投資決策很有可能變成沉沒成本,讓企業陷入萬劫不復。

LED產業目前正在關切未來LED基板與LED技術的走向,因為重新洗牌的成本不小,值得密切注意。

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