LED基板材料,硅基GaN与蓝宝石谁主沉浮

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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(Osram Opto Semiconductors)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。

 

 

 

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