追趕藍寶石難度加大 硅基GaN春天在哪里？
近日，《日經技術在線》刊載的一篇文章分析稱，關于使用硅基GaN基板的LED，雖然其性能與現在占據市場的藍寶石基板LED相當，但在量產方面還存在問題。而且，現在的藍寶石基板價格不斷下跌，在藍寶石基板上形成的LED的性能也在逐漸提升。舉例來說，最近PSS(圖案化藍寶石基板)被大規模應用，大幅提高了藍寶石基板LED的亮度。因此，硅基GaN基板追趕藍寶石基板的難度越來越大。
在Si基板上形成的LED應該比藍寶石基板LED便宜得多。硅晶圓的價格一直低于藍寶石晶圓，今后這一情況也仍將繼續，因此使用硅基GaN基板的削減成本的效果可立即表現出來。削減成本最有效的方式是在自動化程度高、已經完成了折舊的Si-CMOS工廠加工磊晶晶圓。LED制造工藝與CMOS生產線完全兼容，無需追加投資這一點也非常重要。
但成本削減的效果也有可能被制造中的問題抵消掉，這個問題就是，Si與GaN的熱膨脹系數和晶格常數不同，兩者之間存在熱失配和晶格失配，會造成 LED的外延晶圓龜裂或是彎曲。Si基板通常會設置位錯控制層，但在量產時很難進行位錯控制。因此難以建立起可以重現的穩定高成品率的量產工藝。
硅基GaN基板量產企業正在試圖擺脫壟斷
文章指出，面向市場量產硅基GaN基板LED的企業只有中國的晶能光電一家。在整個LED市場上，該技術所占份額還不到1％。德國歐司朗光電半導體(Osram Opto Semiconductors)恐怕將成為最大規模的新進企業。該公司現在使用的是150mm晶圓(6英寸)的試產線，硅基GaN基板的性能正在逐漸逼近藍寶石基板，到使用200mm(8英寸)生產線進行量產估計需要2年左右的時間。
另一方面，美國普瑞光電(Bridgelux)曾在2011年宣布，將把全部產品從藍寶石基板改換為Si基板，并發布了多款高性能LED，但比藍寶石基 板 產品的性能要差一些。當時，該公司使用1枚200mm的晶圓能夠生產約1000枚芯片，而具有商業吸引力的產量約為2萬枚，但如果現在的產量接近這個數字 的話就會有一定優勢。普瑞光電正準備與東芝合作，從2013年開始在日本使用200mm硅晶圓進行生產。美國飛利浦流明也是享受美國能源部補貼開發Si基 板的主要LED企業，該公司發表的關于75mm(3英寸)晶圓的研究結果備受矚目，現在研究的對象是150mm晶圓。除此之外，韓國三星也對使用 200mm硅晶圓制造的器件進行了驗證。
低價格不斷催生新技術
通過采用新技術，200mm藍寶石晶圓有望投入使 用，與Si晶圓展開競爭。而且，藍寶石晶圓的價格也在急劇下跌，150mm晶圓的價格在1年前為450美元，現在已經降到了220～270美元，到 2012年低或許將跌破200美元大關，之后還有可能很快跌至150美元。即便如此，藍寶石晶圓的價格仍然接近Si晶圓的2倍，但這依然稱得上是新進企業 引發價格競爭帶來的一大進步。
新一輪價格下跌的推手，將是大尺寸藍寶石晶體的制造設備的供應商，藍寶石基板通過切割藍寶石晶體制成的。在2年前，晶體的重量為25～35kg，現在已經達到了80～100kg。有些企業甚至能夠生產100kg以上的晶體。
其他的新的晶體生長技術或許能夠使成品率達到以前的2倍以上。但在現在，這些技術只能應用于不足50kg的晶體。一般來說，藍寶石晶 體沿A面生長，基板 的取向與C面平行。其目的是為了把與GaN的晶格失配控制在最低限度。在制作基板時，要沿垂直于軸的方向從晶體中掏取出晶片，因此，原料成品率不足 30％。而現在，晶體已經可以沿C面在軸上生長，可以像切面包一樣對晶體進行切片，原料成品率提高到了85％。但是，由于要緩慢地從晶體中抽取晶片，因此 周期時間將會增加。由此可知，無論是在軸上生長晶體塊的技術，還是培養更大晶體塊的技術，都能夠使成本顯著下降。而且，還可能有其他技術登場。例如，帶狀 生長(EFG)是一門難以掌握的技術，但對于大于150mm的晶圓，該技術有望提高成本效率。
使用硅基GaN基板的LED要想戰勝性能越來越高的藍寶石基板LED、降低成本，目前還面臨著很大的問題，硅基GaN基板LED甚至有可能永遠摘不下“未來技術”的帽子，永無出頭之日。硅基 GaN基板LED能否奪取部分市場，或是完全取代藍寶石基板呢？就目前而言，Si基板LED還是強大的競爭對手。
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