大尺寸晶圓量產(chǎn)卡關(guān)　GaN-on-Si基板發(fā)展陷膠著

矽基氮化鎵(GaN-on-Si)基板技術(shù)發(fā)展添變數(shù)。囿于大尺寸GaN-on-Si晶圓制造良率遲遲無(wú)法提升，不少LED磊晶廠已開(kāi)始考慮降低投資金額，或轉(zhuǎn)而投入技術(shù)門(mén)檻較低的功率元件應(yīng)用市場(chǎng)，讓原本備受期待的GaN-on-Si LED發(fā)展前景壟罩陰霾。

今年矽基氮化鎵(GaN-on-Si)基板市場(chǎng)發(fā)展急凍。去年5月底，普瑞光電(Bridgelux)與東芝(Toshiba)風(fēng)光宣布，共同成功開(kāi)發(fā)出基于8寸GaN-on-Si基板技術(shù)的發(fā)光二極體(LED)晶片，該元件采用350毫安培(mA)電流，電壓小于3.1伏特(V)、大小僅1.1毫米、亮度可達(dá)614毫瓦(mW)。
不料，在這振奮人心的消息過(guò)后不到1年的時(shí)間，今年4月底普瑞光電與東芝再度共同宣布，普瑞光電將出售旗下所有GaN-on-Si技術(shù)資產(chǎn)予東芝，兩者于GaN-on-Si基板上的技術(shù)合作將告一段落，此舉猶如在業(yè)界投下一枚威力不小的震撼彈。

據(jù)了解，在最新的協(xié)議中，普瑞光電將向東芝出售其GaN-on-Si技術(shù)和相關(guān)資產(chǎn)，未來(lái)雙方將透過(guò)延長(zhǎng)的授權(quán)與制造關(guān)系，增強(qiáng)策略技術(shù)合作。這項(xiàng)資產(chǎn)轉(zhuǎn)移協(xié)議相關(guān)程序已于5月底順利完成。

普瑞光電執(zhí)行長(zhǎng)Brad Bullington表示，普瑞光電與東芝將共同邁向GaN-on-Si基板LED固態(tài)照明技術(shù)的下一個(gè)里程碑，未來(lái)普瑞光電仍將致力推動(dòng)GaN-on-Si技術(shù)商用化，不過(guò)，于此同時(shí)，普瑞光電將持續(xù)開(kāi)發(fā)藍(lán)寶石LED基板方案，以藉此提供客戶更高水準(zhǔn)及創(chuàng)新服務(wù)。

東芝企業(yè)副總裁兼半導(dǎo)體與儲(chǔ)存產(chǎn)品執(zhí)行副總裁Makoto Hideshima認(rèn)為，與普瑞光電的合作進(jìn)入新階段后，東芝就能加快8寸GaN-on-Si LED晶圓的規(guī)?；a(chǎn)，此舉將讓雙方各自的LED業(yè)務(wù)部門(mén)業(yè)績(jī)持續(xù)成長(zhǎng)。不僅如此，東芝獲得的GaN-on-Si技術(shù)還將為東芝功率元件的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)帶來(lái)突破。

針對(duì)上述消息，晶元光電研發(fā)中心副總裁謝明勛指出，普瑞光電與東芝的合作動(dòng)態(tài)正如同磊晶業(yè)界的投資風(fēng)向球，由于GaN-on-Si技術(shù)突破需要一段更長(zhǎng)的時(shí)間，若就單純以業(yè)界目前的進(jìn)度而言，至少還需3年才能進(jìn)入大尺寸基板量產(chǎn)的成熟階段，因此，此次的消息發(fā)布并不讓人意外。

事實(shí)上，目前LED照明市場(chǎng)的基板市占仍以藍(lán)寶石基板及碳化矽(SiC)基板為主，而雖然近年GaN-on-Si基板技術(shù)亦快速崛起，但目前GaN-on-Si基板除良率外，還有幾項(xiàng)挑戰(zhàn)待解。


圖1 臺(tái)積固態(tài)照明總經(jīng)理譚昌琳表示，由Cree主推的碳化矽基板LED，主要搶攻的市場(chǎng)仍以高功率應(yīng)用及戶外照明為主。
臺(tái)積固態(tài)照明總經(jīng)理譚昌琳(圖1)分析，GaN-on-Si基板剛開(kāi)始受到關(guān)注的原因，即矽材于半導(dǎo)體制程技術(shù)已相當(dāng)成熟，但實(shí)際上GaN-on-Si基板在成長(zhǎng)過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的彎曲情形，并無(wú)法適用于現(xiàn)有的晶圓平整設(shè)備，因此，生產(chǎn)GaN-on-Si基板的設(shè)備投資金額幾乎等同于投資一家新的8寸廠，而高昂的投資數(shù)目遂成為廠商發(fā)展躊躇的一大原因。

不僅如此，現(xiàn)行大尺寸LED磊晶有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)不足，去年第四季愛(ài)思強(qiáng)(AIXTRON)才推出8寸產(chǎn)線版本，而目前12寸版本基本上仍系單片方案，屬于磊晶廠的研發(fā)(RD)階段設(shè)備，距離正式運(yùn)轉(zhuǎn)、大規(guī)模商用化還須1?2年測(cè)試時(shí)間。

另一方面，因矽基板本身具吸光特性，所以廠商為提高LED晶片發(fā)光效率，多半都會(huì)在磊晶生成以后將矽基板去掉，并須在封裝步驟時(shí)加上反射層，增強(qiáng)LED晶片整體亮度表現(xiàn)，因此，整體的物料成本是否能顯著下降仍充滿許多問(wèn)號(hào)。
LED應(yīng)用遭遇技術(shù)瓶頸業(yè)界轉(zhuǎn)向功率元件市場(chǎng)

圖2 工研院電光所光電元件與系統(tǒng)應(yīng)用組光電磊晶元件部經(jīng)理宣融指出，工研院將持續(xù)投資GaN-on-Si基板技術(shù)研發(fā)，并朝商用化方向邁進(jìn)。
工研院電光所光電元件與系統(tǒng)應(yīng)用組光電磊晶元件部經(jīng)理宣融(圖2)表示，由于LED GaN-on-Si技術(shù)門(mén)檻高，今年上半年開(kāi)始，已有幾家磊晶廠開(kāi)始遭遇重大技術(shù)瓶頸，加上GaN-on-Si基板技術(shù)前段投資金額龐大，廠商在無(wú)法達(dá)到超過(guò)50%的良率情況下，將開(kāi)始改變投資策略，因此，可預(yù)見(jiàn)從今年下半年開(kāi)始，投資GaN-on-Si基板技術(shù)的磊晶廠數(shù)量將會(huì)急速下滑。

宣融進(jìn)一步分析，以單顆LED晶粒(Single Die)的成本結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，基板、MOCVD系統(tǒng)磊晶生成、晶片制程分別占7%、30%、63%的比例。為使矽基板成本于7%的成本比例中彰顯效益、拉開(kāi)與藍(lán)寶石(Sapphire)基板的差距，GaN-on-Si基板廠商皆將目標(biāo)放在以8寸晶圓生產(chǎn)，而這也是磊晶廠商決定是否持續(xù)投資的重要指標(biāo)。

宣融解釋?zhuān)诂F(xiàn)行的MOCVD機(jī)臺(tái)面積里，無(wú)論晶圓直徑大小，皆須切除3毫米(mm)的受熱不均勻邊緣，因此，若分別將十四片4寸晶圓、八片6寸晶圓、五片8寸晶圓與五十六片2寸晶圓系統(tǒng)投資成本相比，大尺寸晶圓的有效面積將大上許多，以5片8寸晶圓方案為例，由于其有效面積較2寸方案多出74%，因此可以58%的系統(tǒng)投資成本，得到相同的GaN-on-Si基板效益。

有鑒于此，業(yè)界正戮力開(kāi)發(fā)6?8寸、甚至12寸的大尺寸GaN-on-Si基板。據(jù)了解，目前工研院電光所為國(guó)內(nèi)少數(shù)已具備成熟6寸GaN-on-Si基板技術(shù)的研究單位(圖3)，其研發(fā)的GaN-on-Si基板的晶體發(fā)光效率已達(dá)藍(lán)寶石基板方案的七成，并有望于近幾個(gè)月提升至同樣水準(zhǔn)；此外，目前電光所研發(fā)的GaN-on-Si基板工作電壓已接近藍(lán)寶石基板方案上限--3.2伏特(V)，未來(lái)將進(jìn)一步降低，以改善GaN薄膜的缺陷密度(Defect Density)。


圖3 工研院目前已順利研發(fā)出6寸GaN-on-Si基板。
宣融透露，雖然GaN-on-Si基板技術(shù)難度高，且有多項(xiàng)門(mén)檻須進(jìn)一步突破，導(dǎo)致愿意投資的廠家數(shù)目減少，但長(zhǎng)期而言，相較于現(xiàn)行基板技術(shù)，GaN-on-Si基板能為L(zhǎng)ED帶來(lái)的成本效益仍十分可期，因此，未來(lái)電光所將持續(xù)往量產(chǎn)方向邁進(jìn)，待明年發(fā)光效率、良率提高、基板尺寸擴(kuò)大至8寸后，電光所將進(jìn)一步朝技術(shù)轉(zhuǎn)移給磊晶廠或成立獨(dú)資公司。

除工研院之外，臺(tái)積電、聯(lián)電、晶元光電皆持續(xù)投資GaN-on-Si基板技術(shù)，不過(guò)，相較于去年業(yè)界共同看好LED采用GaN-on-Si基板技術(shù)的態(tài)度，今年廠商的態(tài)度則有大幅度的轉(zhuǎn)變。

宣融指出，由于LED與功率元件應(yīng)用市場(chǎng)的GaN-on-Si基板前段磊晶技術(shù)相似，在LED應(yīng)用市場(chǎng)毛利不斷下滑的趨勢(shì)下，廠商寧可將投資目標(biāo)鎖定在新興、高毛利取向，且技術(shù)門(mén)檻較低的功率元件應(yīng)用市場(chǎng)。[!--empirenews.page--]

廠商政策大轉(zhuǎn)彎的另一大原因，還有相較于LED應(yīng)用的GaN-on-Si基板技術(shù)，功率元件GaN-on-Si對(duì)于薄膜缺陷密度要求較低，且免除LED發(fā)光所需的波長(zhǎng)均勻度一致的技術(shù)門(mén)檻。最重要的是，功率元件GaN薄膜無(wú)須經(jīng)過(guò)矽摻雜(Doping)程序，于矽基板上成長(zhǎng)的難度較低。

據(jù)了解，目前工研院皆已研發(fā)出6寸功率元件及LED照明應(yīng)用的GaN-on-Si基板；臺(tái)積電自身研發(fā)功率元件應(yīng)用的GaN-on-Si基板技術(shù)，其子公司臺(tái)積固態(tài)照明則負(fù)責(zé)LED應(yīng)用市場(chǎng)；聯(lián)電將大部分的資源投放至功率元件應(yīng)用市場(chǎng)；晶元光電原本系LED磊晶市場(chǎng)佼佼者，現(xiàn)在也積極研發(fā)功率元件GaN-on-Si基板技術(shù)，欲藉此契機(jī)跨足新型應(yīng)用市場(chǎng)(表1)。


在GaN-on-Si基板LED前途未見(jiàn)明朗之時(shí)，新一波的基板技術(shù)--氮化鎵對(duì)氮化鎵基板(GaN-on-GaN)LED聲勢(shì)逐漸看漲。

GaN-on-Si陷膠著GaN-on-GaN基板趁勢(shì)崛起

GaN-on-GaN基板毋須克服讓GaN-on-Si基板LED研發(fā)人員頭痛的晶格、熱膨脹系數(shù)等問(wèn)題，加上GaN基板技術(shù)迭有突破，價(jià)格下滑可期，因而逐漸成為備受矚目的LED基板替代方案。

有鑒于此，業(yè)界已將注意力轉(zhuǎn)移至其他更具成本效益的替代方案，其中，GaN-on-GaN基板在近期頗受市場(chǎng)關(guān)注。目前美國(guó)新創(chuàng)公司Soraa是該基板技術(shù)主要的發(fā)展廠商，其已于今年2月正式宣布技術(shù)突破。

與GaN-on-Si基板相比，GaN-on-GaN基板不具熱膨脹系數(shù)不匹配(CTE Mismatch)及晶格不匹配(Lattice Mismatch)的問(wèn)題，且因晶格缺陷密度極低，可讓LED晶片以極高的電流密度運(yùn)作，并發(fā)射較藍(lán)寶石、碳化矽、矽等傳統(tǒng)基板方案十倍以上的單位面積亮度。

盡管如此，目前GaN-on-GaN基板價(jià)格仍偏高，約為藍(lán)寶石基板的十至十五倍，因此，其應(yīng)用仍以利基市場(chǎng)為主，如需高亮度的車(chē)用照明市場(chǎng)。

譚昌琳指出，日前Soitec已針對(duì)GaN基板發(fā)表Smart Cut技術(shù)，并將該技術(shù)授權(quán)、技術(shù)轉(zhuǎn)移予Sumitomo Electric，此舉可望加速GaN基板價(jià)格下滑。

據(jù)了解，Soitec與Sumitomo Electric兩家公司先前已利用該技術(shù)成功試產(chǎn)4寸及6寸GaN基板，該制程技術(shù)讓高品質(zhì)、極細(xì)的GaN層不斷重復(fù)由單一晶圓轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀鼗?。結(jié)果顯示，在Smart Cut技術(shù)的助力下，GaN基板能展現(xiàn)高度效能并維持低成本，因此，Sumitomo Electric未來(lái)將持續(xù)投資Smart Cut技術(shù)，并利用該技術(shù)制造更大尺寸的GaN基板。

譚昌琳認(rèn)為，未來(lái)藍(lán)寶石、碳化矽、GaN、矽等基板的材料、技術(shù)將不斷整合，而發(fā)光效率(lm/w)、光效下降(Droop)改善情形及制造成本，將是決定基板勢(shì)力版圖的重要因素。

無(wú)論未來(lái)哪一種基板技術(shù)成為L(zhǎng)ED市場(chǎng)主流，LED亮度及成本都將有進(jìn)一步的突破，并為L(zhǎng)ED照明市場(chǎng)帶來(lái)好消息。