眾所周知，目前市場上大多數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的多層結構，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，硅有良好的化學穩定性，不易被分解和腐蝕，導熱性佳，材料易得，制備簡潔，且成本較低，業界甚至認為若能克服硅基GaN外延材料的量產良率問題，預計到了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，在硅襯底上開發外延片和芯片是長期以來一些國際大廠重點的產品發展計劃。

量產時間表逐漸清晰

實際上，一些廠商針對硅基GaN LED的技術研發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瓶頸，使得產品的良率偏低，一直以來都無法實現真正的量產。盡管國內也有廠商在多年前宣布公開量產硅基GaN LED芯片，并且推出了全球首款采用硅襯底的12W球泡燈，但據了解，大部分已經量產的硅基GaN LED芯片仍以小尺寸為主，多應用于顯示屏和數碼顯示等領域，還較少涉及照明應用；另外，硅基GaN LED整燈量產的時間表也還為期尚早。量產時間成為了硅基GaN LED技術發展的重要標志，而令人欣喜的是，目前一些廠商開始陸續公布他們的量產時間表。

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藍寶石襯底制造轉移至成本更低的LED硅襯底制造技術。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(CRT)為80。該公司預計兩年內首批商業硅基GaN LED產品就會正式面市。

歐司朗光電半導體成功研制硅基藍白光LED原型 LED

今年初，歐司朗(OSRAM)光電半導體的研發人員成功制造出高性能藍白光LED原型，當中的氮化鎵發光層生長在直徑為150毫米(6英寸)的硅晶圓上，且LED硅芯片的質量和性能數據均可與藍寶石芯片相媲美：標準Golden Dragon Plus LED封裝中的藍光UX:3芯片在3.15V時亮度可達634mW，相當于58%的光效，如果再結合標準封裝中的傳統熒光粉轉換，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127lm/W的光效。該公司表示，目前這款全新的LED芯片已經進入試點階段，將在實際條件下接受測試，歐司朗期望首批硅基LED芯片有望在兩年內投放市場。

臺灣聯勝光電(HPO)也在日前發表了新一代高功率SiliLED照明方案，其推出的全光譜高功率LED照明方案(380nmUV-880nmIR)，全球注冊商標為SiliLED9(氮化物)/SiliLED8(砷化物)/SiliLED5(磷化物)，中國大陸統合商標為“犀利589二極管”。聯勝光電指出，SiliLED9-VP產品為采用硅襯底散熱，適用于環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，月產能將達100萬顆，第三季開始平均月產能將上升至300萬顆，年底前將達500萬顆，產品主要應用于路燈、室內燈、閃光燈及LED微投影機等。

多年來，民用照明市場一直都是LED產業重點開發的應用領域，采用藍光激發的白光技術通過熒光粉的散射而減少了LED點光源存在的眩光問題，且模塊設計更為簡單，因而更適合普通照明環境。在這一方面，藍光硅基GaN LED的未來量產將使得產品在性能和價格上更具優勢，從而進一步促進民用照明市場的開發。

外延膜質量成為關鍵

阻礙硅基GaN LED技術發展的關鍵在于硅襯底與氮化鎵外延材料之間的結構不匹配，以及兩種物質之間熱膨脹系數的不匹配，導致結晶缺陷密度偏高，外延膜質量較差，容易因為兩種材料間的晶格錯位而產生應力，造成曲度(bow)和裂痕(crack)，從而影響LED器件的電光學性能。

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，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，使其可以和傳統白光照明技術相競爭。

而早在幾年前，歐司朗就已展開和德國Azzurro半導體的合作，借助良好的晶體質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，通過多年的研發投入，目前歐司朗不僅提升了硅基氮化鎵層的質量，產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芯片執行了應力試驗，證明其具有較高的質量以及良好的耐用性，這也是傳統檢驗標志的兩項主要指標。

以大尺寸產品搶占市場

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)，而隨著未來時間內國內藍寶石投資熱潮所釋放出來的產能，估計該類襯底價格仍有一定的下調空間。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。

在量產方面，為了盡可能降低大尺寸硅基GaN LED的生產成本，利用傳統的半導體生產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方面的先進技術，普瑞光電聯手東芝共同推出了行業領先的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，于2013年前后實現硅基GaN LED芯片的正式量產。

襯底技術直接關系到后續產品的性能和開發成本，隨著未來一至兩年內硅基GaN藍光LED芯片的陸續量產投放，將會對原有的以藍寶石、碳化硅襯底為基礎的產品市場帶來一定的沖擊。同時，硅基GaN LED技術的逐漸成熟，也為廠商避開藍寶石、碳化硅襯底技術諸多的專利限制提供了新的產品開發路線，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。