硅基GaN大战蓝宝石，LED基板材料究竟花落谁家？

关于使用硅基GaN基板的LED，虽然其性能与现在占据市场的蓝宝石基板LED相当，但在量产方面还存在问题。而且，现在的蓝宝石基板价格不断下跌，在蓝宝石基板上形成的LED的性能也在逐渐提升。举例来说，最近PSS（图案化蓝宝石基板）被大规模应用，大幅提高了蓝宝石基板LED的亮度。因此，硅基GaN基板追赶蓝宝石基板的难度越来越大。

在Si基板上形成的LED应该比蓝宝石基板LED便宜得多。硅晶圆的价格一直低于蓝宝石晶圆，今后这一情况也仍将继续，因此使用硅基GaN基板的削减成本的效果可立即表现出来。削减成本最有效的方式是在自动化程度高、已经完成了折旧的Si-CMOS工厂加工磊晶晶圆。LED制造工艺与CMOS生产线完全兼容，无需追加投资这一点也非常重要。

但成本削减的效果也有可能被制造中的问题抵消掉，这个问题就是，Si与GaN的热膨胀系数和晶格常数不同，两者之间存在热失配和晶格失配，会造成LED的外延晶圆龟裂或是弯曲。Si基板通常会设置位错控制层，但在量产时很难进行位错控制。因此难以建立起可以重现的稳定高成品率的量产工艺。

硅基GaN基板量产企业正在试图摆脱垄断

面向市场量产硅基GaN基板LED的企业只有中国的晶能光电一家。在整个LED市场上，该技术所占份额还不到1％。德国欧司朗光电半导体（OsramOptoSemiconductors）恐怕将成为最大规模的新进企业。该公司现在使用的是150mm晶圆（6英寸）的试产线，硅基GaN基板的性能正在逐渐逼近蓝宝石基板，到使用200mm（8英寸）生产线进行量产估计需要2年左右的时间。

另一方面，美国普瑞光电（Bridgelux）曾在2011年宣布，将把全部产品从蓝宝石基板改换为Si基板，并发布了多款高性能LED，但比蓝宝石基板产品的性能要差一些。当时，该公司使用1枚200mm的晶圆能够生产约1000枚芯片，而具有商业吸引力的产量约为2万枚，但如果现在的产量接近这个数字的话就会有一定优势。普瑞光电正准备与东芝合作，从2013年开始在日本使用200mm硅晶圆进行生产。美国飞利浦流明也是享受美国能源部补贴开发Si基板的主要LED企业，该公司发表的关于75mm（3英寸）晶圆的研究结果备受瞩目，现在研究的对象是150mm晶圆。除此之外，韩国三星也对使用200mm硅晶圆制造的器件进行了验证。

低价格不断催生新技术

通过采用新技术，200mm蓝宝石晶圆有望投入使用，与Si晶圆展开竞争。而且，蓝宝石晶圆的价格也在急剧下跌，150mm晶圆的价格在1年前为450美元，现在已经降到了220～270美元，到2012年低或许将跌破200美元大关，之后还有可能很快跌至150美元。即便如此，蓝宝石晶圆的价格仍然接近Si晶圆的2倍，但这依然称得上是新进企业引发价格竞争带来的一大进步。

新一轮价格下跌的推手，将是大尺寸蓝宝石晶体的制造设备的供应商，蓝宝石基板通过切割蓝宝石晶体制成的。在2年前，晶体的重量为25～35kg，现在已经达到了80～100kg。有些企业甚至能够生产100kg以上的晶体。

其他的新的晶体生长技术或许能够使成品率达到以前的2倍以上。但在现在，这些技术只能应用于不足50kg的晶体。一般来说，蓝宝石晶体沿A面生长，基板的取向与C面平行。其目的是为了把与GaN的晶格失配控制在最低限度。在制作基板时，要沿垂直于轴的方向从晶体中掏取出晶片，因此，原料成品率不足30％。而现在，晶体已经可以沿C面在轴上生长，可以像切面包一样对晶体进行切片，原料成品率提高到了85％。但是，由于要缓慢地从晶体中抽取晶片，因此周期时间将会增加。由此可知，无论是在轴上生长晶体块的技术，还是培养更大晶体块的技术，都能够使成本显著下降。而且，还可能有其他技术登场。例如，带状生长（EFG）是一门难以掌握的技术，但对于大于150mm的晶圆，该技术有望提高成本效率。

使用硅基GaN基板的LED要想战胜性能越来越高的蓝宝石基板LED、降低成本，目前还面临着很大的问题，硅基GaN基板LED甚至有可能永远摘不下“未来技术”的帽子，永无出头之日。硅基GaN基板LED能否夺取部分市场，或是完全取代蓝宝石基板呢？就目前而言，Si基板LED还是强大的竞争对手。