硅基GaN藍光LED芯片陸續(xù)量產(chǎn)，有望沖擊普通照明市場

眾所周知，目前市場上大多數(shù)LED晶片都是在藍寶石或碳化硅(SiC)襯底上沉積以氮化鎵為基礎(chǔ)的多層結(jié)構(gòu)，晶片尺寸主要為2到4英寸。而相對于藍寶石或碳化硅襯底，硅有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易被分解和腐蝕，導(dǎo)熱性佳，材料易得，制備簡潔，且成本較低，業(yè)界甚至認為若能克服硅基GaN外延材料的量產(chǎn)良率問題，預(yù)計到了2015年，8英寸硅襯底LED的成本將僅有藍寶石襯底的十分之一。因此，在硅襯底上開發(fā)外延片和芯片是長期以來一些國際大廠重點的產(chǎn)品發(fā)展計劃。

量產(chǎn)時間表逐漸清晰

實際上，一些廠商針對硅基GaN LED的技術(shù)研發(fā)已有十年左右的時間，但由于硅基GaN生長有著本身固有的技術(shù)瓶頸，使得產(chǎn)品的良率偏低，一直以來都無法實現(xiàn)真正的量產(chǎn)。盡管國內(nèi)也有廠商在多年前宣布公開量產(chǎn)硅基GaN LED芯片，并且推出了全球首款采用硅襯底的12W球泡燈，但據(jù)了解，大部分已經(jīng)量產(chǎn)的硅基GaN LED芯片仍以小尺寸為主，多應(yīng)用于顯示屏和數(shù)碼顯示等領(lǐng)域，還較少涉及照明應(yīng)用；另外，硅基GaN LED整燈量產(chǎn)的時間表也還為期尚早。量產(chǎn)時間成為了硅基GaN LED技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志，而令人欣喜的是，目前一些廠商開始陸續(xù)公布他們的量產(chǎn)時間表。

美商普瑞光電已打造出每瓦135流明的GaN-On-Silicon LED

從去年開始，美國LED晶圓制造商普瑞光電(Bridgelux)將重心從LED藍寶石襯底制造轉(zhuǎn)移至成本更低的LED硅襯底制造技術(shù)。去年8月，普瑞光電在8英寸硅晶片上生成無裂痕氮化鎵層，并已達到頂級藍寶石襯底LED的效能，冷白光LED的效能高達160Lm/W，相對色溫CCT為4350K；以硅基GaN LED晶圓制作的暖白光LED可提供125Lm/W的效能，色溫為2940K，演色性指數(shù)(CRT)為80。該公司預(yù)計兩年內(nèi)首批商業(yè)硅基GaN LED產(chǎn)品就會正式面市。

歐司朗光電半導(dǎo)體成功研制硅基藍白光LED原型 LED

今年初，歐司朗(OSRAM)光電半導(dǎo)體的研發(fā)人員成功制造出高性能藍白光LED原型，當(dāng)中的氮化鎵發(fā)光層生長在直徑為150毫米(6英寸)的硅晶圓上，且LED硅芯片的質(zhì)量和性能數(shù)據(jù)均可與藍寶石芯片相媲美：標(biāo)準(zhǔn)Golden Dragon Plus LED封裝中的藍光UX:3芯片在3.15V時亮度可達634mW，相當(dāng)于58%的光效，如果再結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)封裝中的傳統(tǒng)熒光粉轉(zhuǎn)換，這些白光LED原型在350mA電流下亮度將達到140lm，色溫為4500K時更將實現(xiàn)127lm/W的光效。該公司表示，目前這款全新的LED芯片已經(jīng)進入試點階段，將在實際條件下接受測試，歐司朗期望首批硅基LED芯片有望在兩年內(nèi)投放市場。

臺灣聯(lián)勝光電(HPO)也在日前發(fā)表了新一代高功率SiliLED照明方案，其推出的全光譜高功率LED照明方案(380nmUV-880nmIR)，全球注冊商標(biāo)為SiliLED9(氮化物)/SiliLED8(砷化物)/SiliLED5(磷化物)，中國大陸統(tǒng)合商標(biāo)為“犀利589二極管”。聯(lián)勝光電指出，SiliLED9-VP產(chǎn)品為采用硅襯底散熱，適用于環(huán)境嚴苛的戶外照明與高功率投影光源。SiliLED9-VP系列已自今年第二季開始出貨，月產(chǎn)能將達100萬顆，第三季開始平均月產(chǎn)能將上升至300萬顆，年底前將達500萬顆，產(chǎn)品主要應(yīng)用于路燈、室內(nèi)燈、閃光燈及LED微投影機等。

多年來，民用照明市場一直都是LED產(chǎn)業(yè)重點開發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域，采用藍光激發(fā)的白光技術(shù)通過熒光粉的散射而減少了LED點光源存在的眩光問題，且模塊設(shè)計更為簡單，因而更適合普通照明環(huán)境。在這一方面，藍光硅基GaN LED的未來量產(chǎn)將使得產(chǎn)品在性能和價格上更具優(yōu)勢，從而進一步促進民用照明市場的開發(fā)。

外延膜質(zhì)量成為關(guān)鍵

阻礙硅基GaN LED技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于硅襯底與氮化鎵外延材料之間的結(jié)構(gòu)不匹配，以及兩種物質(zhì)之間熱膨脹系數(shù)的不匹配，導(dǎo)致結(jié)晶缺陷密度偏高，外延膜質(zhì)量較差，容易因為兩種材料間的晶格錯位而產(chǎn)生應(yīng)力，造成曲度(bow)和裂痕(crack)，從而影響LED器件的電光學(xué)性能。

針對這一課題，目前廠商主要通過引入“緩沖層工藝”來解決，即在硅襯底和氮化鎵層之間使用一層緩沖材料，如多層氮化鋁等，來解決晶格不匹配的問題。例如普瑞光電利用特別研制的緩沖層技術(shù)，成功地在8英寸硅晶圓上生成出無裂痕氮化鎵層，并且不會在室溫下彎曲變形，提高了硅基板氮化鎵LED芯片的效能與可制造性，大幅降低了LED的制造成本，使其可以和傳統(tǒng)白光照明技術(shù)相競爭。

而早在幾年前，歐司朗就已展開和德國Azzurro半導(dǎo)體的合作，借助良好的晶體質(zhì)量以及最小的彎曲度和弧度，使得GaN層能夠在硅襯底上增加厚度(約8微米)，且無裂紋。歐司朗表示，通過多年的研發(fā)投入，目前歐司朗不僅提升了硅基氮化鎵層的質(zhì)量，產(chǎn)品的效能和亮度也極具競爭力；此外，歐司朗還針對新研制的硅基GaN LED芯片執(zhí)行了應(yīng)力試驗，證明其具有較高的質(zhì)量以及良好的耐用性，這也是傳統(tǒng)檢驗標(biāo)志的兩項主要指標(biāo)。

以大尺寸產(chǎn)品搶占市場

從去年年底開始，藍寶石襯底的價格一路走低，2英寸藍寶石襯底的報價已降至8至9美元(有的大陸廠商更推出6美元的價格)，而隨著未來時間內(nèi)國內(nèi)藍寶石投資熱潮所釋放出來的產(chǎn)能，估計該類襯底價格仍有一定的下調(diào)空間。要想和主流的藍寶石襯底市場在小尺寸上拼價格，硅襯底的成本優(yōu)勢已不明顯。因此，大尺寸外延片成為硅基GaN LED未來要搶占市場空間的一個重要立基點。

同時，一般來講，尺寸越大，亮度也越高，這有助于提升硅基GaN LED的發(fā)光效率，克服以往人們對硅基GaN LED光效較差的詬病。而在另一方面，藍寶石和碳化硅襯底要做到大尺寸規(guī)格還存在著原材料、制造工藝等諸多方面的困難，制造成本偏高，這也為大尺寸硅基GaN LED提供了有利的市場競爭機會。目前為止，已有部分廠商宣布開發(fā)出了8英寸硅基GaN LED外延片，其中包括歐司朗、普瑞光電等。

在量產(chǎn)方面，為了盡可能降低大尺寸硅基GaN LED的生產(chǎn)成本，利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體生產(chǎn)線制程是目前一些廠商正在嘗試的方法。例如，今年東芝(Toshiba)入資普瑞光電，五月份，借助東芝在硅處理和生產(chǎn)方面的先進技術(shù)，普瑞光電聯(lián)手東芝共同推出了行業(yè)領(lǐng)先的8英寸硅基GaN LED，該LED芯片大小為1.1mm，在電壓不超過3.1V，電流為350mA的情況下，芯片功耗為614mW。雙方計劃以東芝在亞洲的某間8英寸晶圓廠搭配最新改良的硅基GaN LED技術(shù)，于2013年前后實現(xiàn)硅基GaN LED芯片的正式量產(chǎn)。

襯底技術(shù)直接關(guān)系到后續(xù)產(chǎn)品的性能和開發(fā)成本，隨著未來一至兩年內(nèi)硅基GaN藍光LED芯片的陸續(xù)量產(chǎn)投放，將會對原有的以藍寶石、碳化硅襯底為基礎(chǔ)的產(chǎn)品市場帶來一定的沖擊。同時，硅基GaN LED技術(shù)的逐漸成熟，也為廠商避開藍寶石、碳化硅襯底技術(shù)諸多的專利限制提供了新的產(chǎn)品開發(fā)路線，更為重要的是，硅基GaN LED將有望成為進軍普通照明市場的一件利器。