大尺寸晶圆量产卡关　GaN-on-Si基板发展陷胶着

矽基氮化镓(GaN-on-Si)基板技术发展添变数。囿于大尺寸GaN-on-Si晶圆制造良率迟迟无法提升，不少LED磊晶厂已开始考虑降低投资金额，或转而投入技术门槛较低的功率元件应用市场，让原本备受期待的GaN-on-Si LED发展前景垄罩阴霾。

今年矽基氮化镓(GaN-on-Si)基板市场发展急冻。去年5月底，普瑞光电(Bridgelux)与东芝(Toshiba)风光宣布，共同成功开发出基于8寸GaN-on-Si基板技术的发光二极体(LED)晶片，该元件采用350毫安培(mA)电流，电压小于3.1伏特(V)、大小仅1.1毫米、亮度可达614毫瓦(mW)。
不料，在这振奋人心的消息过后不到1年的时间，今年4月底普瑞光电与东芝再度共同宣布，普瑞光电将出售旗下所有GaN-on-Si技术资产予东芝，两者于GaN-on-Si基板上的技术合作将告一段落，此举犹如在业界投下一枚威力不小的震撼弹。

据了解，在最新的协议中，普瑞光电将向东芝出售其GaN-on-Si技术和相关资产，未来双方将透过延长的授权与制造关系，增强策略技术合作。这项资产转移协议相关程序已于5月底顺利完成。

普瑞光电执行长Brad Bullington表示，普瑞光电与东芝将共同迈向GaN-on-Si基板LED固态照明技术的下一个里程碑，未来普瑞光电仍将致力推动GaN-on-Si技术商用化，不过，于此同时，普瑞光电将持续开发蓝宝石LED基板方案，以藉此提供客户更高水准及创新服务。

东芝企业副总裁兼半导体与储存产品执行副总裁Makoto Hideshima认为，与普瑞光电的合作进入新阶段后，东芝就能加快8寸GaN-on-Si LED晶圆的规模化生产，此举将让双方各自的LED业务部门业绩持续成长。不仅如此，东芝获得的GaN-on-Si技术还将为东芝功率元件的开发与生产带来突破。

针对上述消息，晶元光电研发中心副总裁谢明勋指出，普瑞光电与东芝的合作动态正如同磊晶业界的投资风向球，由于GaN-on-Si技术突破需要一段更长的时间，若就单纯以业界目前的进度而言，至少还需3年才能进入大尺寸基板量产的成熟阶段，因此，此次的消息发布并不让人意外。

事实上，目前LED照明市场的基板市占仍以蓝宝石基板及碳化矽(SiC)基板为主，而虽然近年GaN-on-Si基板技术亦快速崛起，但目前GaN-on-Si基板除良率外，还有几项挑战待解。


图1 台积固态照明总经理谭昌琳表示，由Cree主推的碳化矽基板LED，主要抢攻的市场仍以高功率应用及户外照明为主。
台积固态照明总经理谭昌琳(图1)分析，GaN-on-Si基板刚开始受到关注的原因，即矽材于半导体制程技术已相当成熟，但实际上GaN-on-Si基板在成长过程当中产生的弯曲情形，并无法适用于现有的晶圆平整设备，因此，生产GaN-on-Si基板的设备投资金额几乎等同于投资一家新的8寸厂，而高昂的投资数目遂成为厂商发展踌躇的一大原因。

不仅如此，现行大尺寸LED磊晶有机金属化学气相沉积(MOCVD)系统的实战经验不足，去年第四季爱思强(AIXTRON)才推出8寸产线版本，而目前12寸版本基本上仍系单片方案，属于磊晶厂的研发(RD)阶段设备，距离正式运转、大规模商用化还须1?2年测试时间。

另一方面，因矽基板本身具吸光特性，所以厂商为提高LED晶片发光效率，多半都会在磊晶生成以后将矽基板去掉，并须在封装步骤时加上反射层，增强LED晶片整体亮度表现，因此，整体的物料成本是否能显著下降仍充满许多问号。
LED应用遭遇技术瓶颈业界转向功率元件市场

图2 工研院电光所光电元件与系统应用组光电磊晶元件部经理宣融指出，工研院将持续投资GaN-on-Si基板技术研发，并朝商用化方向迈进。
工研院电光所光电元件与系统应用组光电磊晶元件部经理宣融(图2)表示，由于LED GaN-on-Si技术门槛高，今年上半年开始，已有几家磊晶厂开始遭遇重大技术瓶颈，加上GaN-on-Si基板技术前段投资金额庞大，厂商在无法达到超过50%的良率情况下，将开始改变投资策略，因此，可预见从今年下半年开始，投资GaN-on-Si基板技术的磊晶厂数量将会急速下滑。

宣融进一步分析，以单颗LED晶粒(Single Die)的成本结构来说，基板、MOCVD系统磊晶生成、晶片制程分别占7%、30%、63%的比例。为使矽基板成本于7%的成本比例中彰显效益、拉开与蓝宝石(Sapphire)基板的差距，GaN-on-Si基板厂商皆将目标放在以8寸晶圆生产，而这也是磊晶厂商决定是否持续投资的重要指标。

宣融解释，在现行的MOCVD机台面积里，无论晶圆直径大小，皆须切除3毫米(mm)的受热不均匀边缘，因此，若分别将十四片4寸晶圆、八片6寸晶圆、五片8寸晶圆与五十六片2寸晶圆系统投资成本相比，大尺寸晶圆的有效面积将大上许多，以5片8寸晶圆方案为例，由于其有效面积较2寸方案多出74%，因此可以58%的系统投资成本，得到相同的GaN-on-Si基板效益。

有鉴于此，业界正戮力开发6?8寸、甚至12寸的大尺寸GaN-on-Si基板。据了解，目前工研院电光所为国内少数已具备成熟6寸GaN-on-Si基板技术的研究单位(图3)，其研发的GaN-on-Si基板的晶体发光效率已达蓝宝石基板方案的七成，并有望于近几个月提升至同样水准；此外，目前电光所研发的GaN-on-Si基板工作电压已接近蓝宝石基板方案上限--3.2伏特(V)，未来将进一步降低，以改善GaN薄膜的缺陷密度(Defect Density)。


图3 工研院目前已顺利研发出6寸GaN-on-Si基板。
宣融透露，虽然GaN-on-Si基板技术难度高，且有多项门槛须进一步突破，导致愿意投资的厂家数目减少，但长期而言，相较于现行基板技术，GaN-on-Si基板能为LED带来的成本效益仍十分可期，因此，未来电光所将持续往量产方向迈进，待明年发光效率、良率提高、基板尺寸扩大至8寸后，电光所将进一步朝技术转移给磊晶厂或成立独资公司。

除工研院之外，台积电、联电、晶元光电皆持续投资GaN-on-Si基板技术，不过，相较于去年业界共同看好LED采用GaN-on-Si基板技术的态度，今年厂商的态度则有大幅度的转变。

宣融指出，由于LED与功率元件应用市场的GaN-on-Si基板前段磊晶技术相似，在LED应用市场毛利不断下滑的趋势下，厂商宁可将投资目标锁定在新兴、高毛利取向，且技术门槛较低的功率元件应用市场。[!--empirenews.page--]

厂商政策大转弯的另一大原因，还有相较于LED应用的GaN-on-Si基板技术，功率元件GaN-on-Si对于薄膜缺陷密度要求较低，且免除LED发光所需的波长均匀度一致的技术门槛。最重要的是，功率元件GaN薄膜无须经过矽掺杂(Doping)程序，于矽基板上成长的难度较低。

据了解，目前工研院皆已研发出6寸功率元件及LED照明应用的GaN-on-Si基板；台积电自身研发功率元件应用的GaN-on-Si基板技术，其子公司台积固态照明则负责LED应用市场；联电将大部分的资源投放至功率元件应用市场；晶元光电原本系LED磊晶市场佼佼者，现在也积极研发功率元件GaN-on-Si基板技术，欲藉此契机跨足新型应用市场(表1)。


在GaN-on-Si基板LED前途未见明朗之时，新一波的基板技术--氮化镓对氮化镓基板(GaN-on-GaN)LED声势逐渐看涨。

GaN-on-Si陷胶着GaN-on-GaN基板趁势崛起

GaN-on-GaN基板毋须克服让GaN-on-Si基板LED研发人员头痛的晶格、热膨胀系数等问题，加上GaN基板技术迭有突破，价格下滑可期，因而逐渐成为备受瞩目的LED基板替代方案。

有鉴于此，业界已将注意力转移至其他更具成本效益的替代方案，其中，GaN-on-GaN基板在近期颇受市场关注。目前美国新创公司Soraa是该基板技术主要的发展厂商，其已于今年2月正式宣布技术突破。

与GaN-on-Si基板相比，GaN-on-GaN基板不具热膨胀系数不匹配(CTE Mismatch)及晶格不匹配(Lattice Mismatch)的问题，且因晶格缺陷密度极低，可让LED晶片以极高的电流密度运作，并发射较蓝宝石、碳化矽、矽等传统基板方案十倍以上的单位面积亮度。

尽管如此，目前GaN-on-GaN基板价格仍偏高，约为蓝宝石基板的十至十五倍，因此，其应用仍以利基市场为主，如需高亮度的车用照明市场。

谭昌琳指出，日前Soitec已针对GaN基板发表Smart Cut技术，并将该技术授权、技术转移予Sumitomo Electric，此举可望加速GaN基板价格下滑。

据了解，Soitec与Sumitomo Electric两家公司先前已利用该技术成功试产4寸及6寸GaN基板，该制程技术让高品质、极细的GaN层不断重复由单一晶圆转变为多重基板。结果显示，在Smart Cut技术的助力下，GaN基板能展现高度效能并维持低成本，因此，Sumitomo Electric未来将持续投资Smart Cut技术，并利用该技术制造更大尺寸的GaN基板。

谭昌琳认为，未来蓝宝石、碳化矽、GaN、矽等基板的材料、技术将不断整合，而发光效率(lm/w)、光效下降(Droop)改善情形及制造成本，将是决定基板势力版图的重要因素。

无论未来哪一种基板技术成为LED市场主流，LED亮度及成本都将有进一步的突破，并为LED照明市场带来好消息。