硅基LED量產(chǎn)在即 直面挑戰(zhàn)藍(lán)寶石地位
LED基板市場即將風(fēng)云變色。東芝與普瑞光電(Bridgelux)合作的硅基板LED芯片,預(yù)計將于10月量產(chǎn);一旦產(chǎn)品順利推出,勢將以更高的性價比優(yōu)勢,壓縮現(xiàn)今LED市場主流的藍(lán)寶石基板生存空間,并促使相關(guān)供應(yīng)商掀起更激烈的價格競爭。
為使LED元件價格更具競爭力,LED基板朝大尺寸化發(fā)展已是確立之勢。除目前市場主流的藍(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),時程較業(yè)界原本預(yù)期的最快時間點(diǎn)2013年,整整提前一季;若順利量產(chǎn),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(lán)寶石基板的「低價」優(yōu)勢,恐將不復(fù)存在。
大尺寸發(fā)展為LED基板競爭關(guān)鍵
LED外延基板材料選用,會影響后續(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、在晶圓生長環(huán)境下穩(wěn)定性高及價格低廉等。
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,是否具競爭力的重點(diǎn)。
藍(lán)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(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(lán)寶石基板外,LED供應(yīng)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(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(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,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)致薄膜在成長時或室溫下,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英寸開始發(fā)展至今,技術(shù)相對成熟,已為市場主流尺寸。不過為追求低成本量產(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)破裂等問題,仍以實(shí)驗(yàn)室階段為主,尚無商品化經(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優(yōu)勢,目前多數(shù)廠商都已投入研發(fā)。
若以Bridgelux的8英寸芯片計算,目前可產(chǎn)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(chǎn)出,達(dá)兩千顆左右,所以如何提升硅基板良率是目前開發(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)硅晶圓上長成氮化鎵發(fā)光層,這個名為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。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(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商品化效率相距無幾,同時也較高壓納燈效率為高。
具低成本優(yōu)勢硅基板備受看好
LED于照明市場的應(yīng)用目前仍無法被大量采用,主要障礙為價格仍較傳統(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)合計也高達(dá)五成以上。為讓LED元件成本有效率下滑,提升價格競爭力,業(yè)者已開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)寶石基板開始朝大尺寸發(fā)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(lán)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(yù)期2012年價格可低于300美元。對于達(dá)到150美元的價位,業(yè)者認(rèn)為是指日可待的事;不過,就算是6英寸藍(lán)寶石跌到此價位,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。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,良率無法提升,成本也會因而增加。
突破良率/產(chǎn)出率硅基板量產(chǎn)指日可待
低價大尺寸基板是發(fā)展高性價比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。
東芝正式對外宣布提前量產(chǎn)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(shù)順利大幅量產(chǎn)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(shí)現(xiàn)。
不過,這項(xiàng)新技術(shù)要從實(shí)驗(yàn)室走向商品化市場,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,勢必對現(xiàn)有使用藍(lán)寶石基板業(yè)者造成極大沖擊,同時還會掀起一波更激烈的價格戰(zhàn)。
臺灣LED元件廠已積極朝向高性價比發(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(yè)者也得加緊腳步,做好準(zhǔn)備,以面對未來可能發(fā)生的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
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