硅襯底，躋身主流待何時？

　　襯底作為半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石，襯底材料的選用直接決定了LED芯片的制造路線。日前，普瑞光電宣布明年將量產(chǎn)8英寸硅襯底的消息引起了業(yè)界的格外關(guān)注。隨后，Cree也發(fā)布消息稱，其白光功率型LED光效再度刷新行業(yè)最高紀錄，達到254lm/W。一面是硅襯底這條新技術(shù)路線研發(fā)取得突破性進展的消息時有爆出，一面是SiC襯底芯片光效的快速提升，而藍寶石襯底也因產(chǎn)能過剩價格低至谷底而備顯競爭力。面對新技術(shù)的快速發(fā)展和老技術(shù)的不斷突破，如今，SiC、藍寶石、硅這三種不同的襯底技術(shù)路線，哪種在成本和性能上更具優(yōu)勢?如果越來越多的公司開始量產(chǎn)硅襯底，是否會對SiC與藍寶石這兩種技術(shù)路線形成沖擊?不同的技術(shù)路線，國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)進展又如何?未來哪一種襯底技術(shù)路線會更被看好?本刊記者帶您一起了解大家對這三條不同襯底技術(shù)未來發(fā)展的看法。

　　“逐鹿”硅襯底

　　盡管可用于GaN基LED的襯底材料較多，但目前產(chǎn)業(yè)化的主流襯底只有兩種藍寶石和SiC。因這兩種技術(shù)路線受到專利、技術(shù)壁壘以及成本高等瓶頸制約，探尋具備更高性價比的襯底技術(shù)路線成為很多廠家的追求。硅作為一種襯底材料，與藍寶石和SiC相比，具有低成本、大尺寸、高質(zhì)量、導(dǎo)電等優(yōu)點，且硅襯底GaN基材料及器件的研制將進一步促進GaN基器件與傳統(tǒng)硅襯底器件工藝的集成，被認為是頗具前途的GaN襯底材料。目前國際上越來越多的LED大廠紛紛加入到對硅襯底技術(shù)研究的行列中。

　　據(jù)記者調(diào)查了解，日前很多公司研發(fā)的硅襯底LED芯片的質(zhì)量和性能數(shù)據(jù)已可與藍寶石襯底芯片相美。例如普瑞光電8英寸硅襯底芯片色溫為4700K時，光效已達到160lm/W;色溫為3000K時,光效已達到125lm/W，顯色指數(shù)可達到80。歐司朗標準Golden Dragon Plus LED封裝中的藍光UX:3芯片在3.15V時亮度可達634mW，如果再結(jié)合標準封裝中的傳統(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時將實現(xiàn)127lm/W的光效。晶能光電2英寸硅襯底量產(chǎn)芯片，色溫為5000K時，350mA下普遍光效超過110lm/W，6寸硅襯底芯片研發(fā)取得重大進展，性能和2寸片相當(dāng)，目前正籌備6寸量產(chǎn)制程設(shè)備。除此之外，飛利浦、三星也均在硅襯底方面展開研究，而三星更是一開始就瞄準了8英寸大尺寸的直接入手……可以預(yù)言，由硅襯底引發(fā)的半導(dǎo)體照明核心技術(shù)的競爭正在全球掀起。

　　與藍寶石和SiC相比，在硅襯底上生長GaN更為困難，這兩者之間熱失配和晶格失配更大。普瑞光電負責(zé)人表示，其采用的新方案已突破硅襯底GaN上下層無法合的技術(shù)障礙，但目前采用的新方案技術(shù)細節(jié)尚不便透露。普瑞光電負責(zé)人表示，未來將選擇代工模式，與經(jīng)驗豐富的世界級半導(dǎo)體公司合作量產(chǎn)硅襯底，提升產(chǎn)品良率，預(yù)計2013年初就將投產(chǎn)。在硅襯底研發(fā)方面也已取得良好進展的歐司朗于2012年初對外宣布，其研發(fā)人員成功地制造出高性能藍白光 LED原型，當(dāng)中的GaN發(fā)光層生長于直徑為6英寸底的硅襯底上。歐司朗亞太區(qū)市場總監(jiān)鐘介聰表示：“目前實驗室水平已能獲得與藍寶石襯底相同的品質(zhì)，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，首批硅襯底LED芯片有望在兩年內(nèi)投放市場。”

　　在國外廠家對硅襯底研發(fā)水平快速提升的同時，全球首家實現(xiàn)硅襯底GaN基LED大功率芯片商業(yè)化的單位晶能光電，早在2006年就已經(jīng)開始進行硅襯底LED芯片的產(chǎn)業(yè)化嘗試，先后推出多種規(guī)格的硅襯底LED芯片，總體良品率約80%。據(jù)記者了解，晶能光電的主要技術(shù)支持單位國家硅基LED工程技術(shù)研究中心也已研制成功第二代硅襯底LED，光效、合格率和可靠性均有顯著提升，同時制造工藝大幅簡化，成本顯著下降。

　　“越來越多的公司參與到硅襯底的研究并取得快速的進展，這也說明了硅襯底LED這條技術(shù)路線正逐步成為LED照明重要的技術(shù)路線之一，由此，硅襯底LED將會占有更高的市場份額。同時，國產(chǎn)硅襯底LED不再孤單，其認知度和市場接受度，不會因為單一的供貨源而影響用戶推廣使用的信心。”南昌大學(xué)教授江風(fēng)益表示：“我們現(xiàn)在把硅襯底LED生長MOCVD設(shè)備制造與外延工藝結(jié)合起來，已取得喜人進展。近一年的快速進步，更加堅定了走這一自主創(chuàng)新之路的信心和決心。目前項目已經(jīng)得到國家科技部、工信部、發(fā)改委和江西省、南昌市等大力支持。相信堅持下去，持續(xù)扶持，會有更好的表現(xiàn)。”

　　產(chǎn)業(yè)化與良品率成關(guān)鍵

　　硅襯底這一新的技術(shù)方式正受到業(yè)內(nèi)許多主要制造商的支持已成為不爭的事實，盡管支持程度不一。在這方面展開研究的國際大廠一致認為LED照明市場以后必將趨向于選擇硅襯底這種極具吸引力且成本合理的材料。普瑞光電負責(zé)人表示：“硅襯底在半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用廣泛，且可實現(xiàn)較大的外延片直徑，再加上其出眾的熱管理特性及具備快速量產(chǎn)及低成本的優(yōu)勢，將可望助力加速LED照明普及。”鐘介聰也表示，硅襯底不僅比藍寶石和SiC便宜，并且更易獲得，此外硅襯底可以實現(xiàn)大尺寸，基于大尺寸生產(chǎn)的LED芯片可以增加產(chǎn)量降低成本。

　　成本優(yōu)勢無疑將成為氮化LED芯片生產(chǎn)從藍寶石或SiC襯底向硅襯底的轉(zhuǎn)移的重要驅(qū)動因素之一。據(jù)了解，目前2英寸硅襯底的單價含稅大概是30元，加上轉(zhuǎn)移襯底總共不到60元，而2英寸藍寶石襯底價格即便有大幅度的降低，主流PSS襯底差不多為19美元(加增值稅和消費稅合155元)。從大規(guī)模生產(chǎn)角度來講，60元的硅襯底和155元的PSS藍寶石襯底成本相差并不是很大。但是，LED行業(yè)的大趨勢是向大尺寸襯底方向走。到2014年，可能已經(jīng)沒有什么人在2寸上做LED了。目前6寸藍寶石襯底價格大約是250美元，并且市場上沒有6寸的PSS藍寶石襯底。相比之下，6寸，甚至8寸的硅襯底，都是在50美元以下。SiC 襯底的售價依然高高在上，幾乎為目前其他襯底價格的幾十倍以上?？梢灶A(yù)知，如果硅襯底實現(xiàn)更大的尺寸，那么成本優(yōu)勢將更為明顯，硅襯底大尺寸單位面積價格下降，而藍寶石大尺寸襯底單位面積價格反而上升。

　　“Si基GaN在成本方面頗具優(yōu)越性，硅襯底LED必然會給以藍寶石或SiC為襯底的LED帶來極大的威脅。”鐘介聰表示，對于被廣泛應(yīng)用于照明行業(yè)的LED而言，未來硅襯底LED還需大幅降低成本。為此，歐司朗將圍繞整個技術(shù)鏈研發(fā)新方法，從芯片技術(shù)到生產(chǎn)工藝再到封裝技術(shù)，無不涉及。

　　硅襯底的發(fā)展作為未來大幅降低生產(chǎn)成本、提高自動化生產(chǎn)程度的一條技術(shù)路線，全球諸多知名公司都在積極開拓，那么它現(xiàn)階段否具備投資價值呢?深市創(chuàng)新投資集團有限公司投資經(jīng)理張華表示：“如果企業(yè)能夠在5年內(nèi)收回投資成本并獲取超額收益，則具有投資價值。企業(yè)估值要合理，前投資基本用于支持研發(fā)，離產(chǎn)業(yè)化還很遠，公司失敗的可能性也很大。所以高風(fēng)險對應(yīng)高收益，高收益表明投資成本要足夠低。”

　　產(chǎn)業(yè)化及其良品率成為普遍關(guān)注的一個問題。“盡管這些國外企業(yè)的進展都令人振奮，但尚未到量產(chǎn)時機，個人評估最快的需要2-3年時間。”張華表示，在硅襯底產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過程中，成品率、產(chǎn)品的一致性和均勻性等都是非常關(guān)鍵的問題。一位業(yè)內(nèi)專家也給出了相同的觀點：“從現(xiàn)在報道情況來看，有的廠家僅僅告示了其襯底外延片發(fā)光水平，很少有芯片的具體產(chǎn)品，即便有芯片產(chǎn)品也沒提到成品率，應(yīng)該說國外企業(yè)離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。”也有專家表示，這些國外的企業(yè)宣傳時一味的強調(diào)大尺寸，而沒有真正產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)都存在各種不確定因素，現(xiàn)在看來這些企業(yè)宣傳造勢的可能性比較大。

　　“目前在硅襯底上生長的GaN基LED與其他幾種襯底生長的LED相比，在性能上還是有差距的，主要是發(fā)光效率和可靠性有待進一步提高和驗證。”一位業(yè)內(nèi)專家表示，目前硅襯底研發(fā)水平最好達到了160lm/W，而藍寶石目前普遍水平能達到110lm/W，研發(fā)水平也達到了249lm/W，所以不能片面的將硅襯底LED芯片目前最好性能與藍寶石LED芯片普通性能相比。

　　“相比國外在硅襯底方面的研發(fā)技術(shù)，我國晶能光電在硅襯底方面的優(yōu)勢在于具有豐富的經(jīng)驗，而且2英寸硅襯底LED芯片已產(chǎn)業(yè)化，并有穩(wěn)定的銷售渠道，特別是產(chǎn)業(yè)化的芯片性能可靠，并在價格方面具有一定的比較優(yōu)勢。”一位業(yè)內(nèi)專家表示，一般來講，現(xiàn)在國內(nèi)用的很多的小芯片來做戶內(nèi)照明，晶能光電的硅襯底LED芯片可能不太適合。 談到大功率LED，硅襯底芯片的優(yōu)勢就比較明顯。更適合做1W以上的大功率，用于指向行強的領(lǐng)域，如：礦燈、射燈、筒燈、路燈。

　　藍寶石短期內(nèi)依然是主流

　　硅襯底作為一種新的技術(shù)路線，國內(nèi)外對其的研究也持續(xù)多年，目前開始醞釀大規(guī)模進入產(chǎn)業(yè)化軌道。藍寶石與SiC這兩條技術(shù)路線也都處在大力研發(fā)和生產(chǎn)之中，且相對領(lǐng)先。但不可忽視，硅襯底技術(shù)路線與前兩條技術(shù)路線相比，差距在不斷縮小，且發(fā)展速度很快。未來，LED技術(shù)路線的格局是否會隨著硅襯底的快速發(fā)展而發(fā)生改變，藍寶石的主流地位是否會被撼動?

　　“照明用LED芯片一定需具備高亮度、大功率、散熱性好等特質(zhì)，在這樣的技術(shù)要求下，藍寶石和SiC仍然是比較好的路線。”中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員徐軍表示，藍寶石襯底是目前用于GaN生長的主流選擇，幾乎占據(jù)99%的市場，其制造技術(shù)成熟性、穩(wěn)定性、生長GaN的完整性等方面現(xiàn)在都比硅襯底好，預(yù)計未來5-10年，襯底目前的這種格局不會發(fā)生大的變化。江風(fēng)益表示，硅襯底LED有其特定的市場優(yōu)勢，不能在所有的五花八門市場中都替代藍寶石和SiC LED，一切都有待各技術(shù)路線今后的進展。山東大學(xué)教授徐現(xiàn)剛也表示，5年內(nèi)這三種技術(shù)路線在產(chǎn)業(yè)化所占比重是不會發(fā)生變化的，未來發(fā)展趨勢還取決于各種技術(shù)成本下降程度和技術(shù)發(fā)展完善程度。普瑞光電也表示，即便硅襯底大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，但現(xiàn)階段是無法預(yù)知硅襯底GaN LED將來是否將完全取代藍寶石襯底的。

　　在以藍寶石襯底為主的技術(shù)時代里，我們是否還應(yīng)該大力支持硅襯底的發(fā)展呢?徐軍表示，盡管硅襯底研究目前取得了較大的進展，在價格、系統(tǒng)集成、剝離等方面也具有一定優(yōu)勢，但中國作為半導(dǎo)體照明的產(chǎn)業(yè)大國，一定要抓主流技術(shù)路線。但也有絕大多數(shù)的專家認為，硅襯底LED技術(shù)是我國高科技領(lǐng)域為數(shù)不多的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)技術(shù)，目前國外的研發(fā)投入力度也是非常大的，盡管我國在產(chǎn)業(yè)化方面暫時領(lǐng)先，但絲毫不能輕“敵”，還須快馬加鞭，既要將現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品擴大生產(chǎn)規(guī)模，還要加大研發(fā)力度，繼續(xù)提升發(fā)光效率，開發(fā)性價比更優(yōu)的高檔芯片，保持企業(yè)良好的可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢，打造具有國際競爭力的民族品牌，讓中國在未來LED照明領(lǐng)域成為引領(lǐng)者而不是追隨者。

　　讓LED芯片光效不斷創(chuàng)新高的SiC襯底，因有巨大的技術(shù)壁壘全球SiC產(chǎn)品實現(xiàn)量產(chǎn)的公司目前為止只有十幾家，而Cree在GaN基藍光LED、白光LED和SiC襯底等技術(shù)上均處于國際領(lǐng)先地位。中國SiC襯底的生產(chǎn)廠家除天富熱電與中科院物理所合作的天科合達外，幾乎沒有其它企業(yè)能夠規(guī)?；a(chǎn)，而天科合達的產(chǎn)品也很少應(yīng)用在半導(dǎo)體照明上。“山東大學(xué)雖然也已做出4英寸的SiC襯底，并開始向6英寸發(fā)展，但這均只處實驗室階段，需提升的空間依然很大。”一位業(yè)內(nèi)專家表示。