北京时间11月06日消息，中国触摸屏网讯， 硅基氮化镓(GaN-on-Si)可望成为LED产业新宠儿。由于蓝宝石基板面临技术瓶颈，LED业者正积极寻找新的基板材料；硅基氮化镓可减少热膨胀差异係数，不仅能强化 LED发光强度，更可大幅降低製造成本、提高散热表现，遂成为业界争相布局的新技术。
1980年，新竹科学园区创立，自此台湾便与科技划上等号；1985年后，台积电等半导体大厂陆续成立，其后的20年间由IC设计、半导体製造、封装与测试等上、中、下游产业链相继串连，并将台湾半导体产业推向高峰。其中，以自硅(Si)为主的12吋晶圆製作及相关封测製程在全球半导体产业执牛耳；紧接着以氮化镓(GaN)在蓝宝石基板上的光电半导体便以节能口号为号抢进照明市场。
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蓝宝石基板尺寸难扩大 LED晶粒成本居高不下
然而，单价过高的发光二极体(LED)相关产品仍为社会大众所诟病，主因係基板尺寸难以扩大，这也使得单位基板上的晶粒数有限，导致成本下降不易，即便目前LED大厂已将蓝宝石基板尺寸由2吋提高到4吋，其相关产品售价仍难以取代目前的灯泡，因此各大厂无不寻求更大尺寸的蓝宝石基板。不过，6吋基板成本将较2吋基板成长五十倍，且LED在6吋蓝宝石基板上成长所面临到的翘曲问题，导致后续黄光微影及封装製程的良率大幅下降，更甭谈8吋及12吋蓝宝石(Al2O3)基板，这也是为何全球LED大厂仍无法将其产品单价降低的关键。有鑑于此，更换便宜且成熟的基板材料便是当前产业界努力的方向。
现今，世界各国开始将LED于Si基板成长。根据估算，若将基板材料置换成6吋Si基板，则基板价格仅较2吋Al2O3基板增加一倍。另一方面，若将基板尺寸放大至8吋(200毫米)，并考量在Si基板的发光效率为在Al2O3基板效率的80%，则在8吋Si基板上的LED晶粒成本仅为在Al2O3基板上的20%。由以上所述可知，将LED基板材料製换成Si，并结合国内大尺寸Si半导体全球第一的经验，将可大幅缩减目前LED成本过高的窘境。
张/应力过大问题难克服 硅基氮化镓良率挑战大
LED on Si中的关键技术为硅基氮化镓(GaN on Si)，由于GaN与Si基板之间热膨胀係数差异远较其与Al2O3大(34%)，这将造成GaN磊晶薄膜于生长结束后的降温过程中，会因张力与应力过大而产生晶片弯曲及龟裂现象，降低元件良率；再者，GaN on Si的弯曲方向与GaN on Al2O3方向相反，因此GaN on Si的成长条件迥然于GaN on Al2O3。
GaN与Al2O3及Si的晶格不匹配度以绝对值作为比较，约为16%，此并不是造成GaN on Si易破裂的主因。就热膨胀係数差异而言，GaN与Si的差异硬是较Al2O3增加50%，再者，在莫氏硬度表(Mohs Scale of Mineral Hardness)中的Al2O3(9)硬度远大于Si(6.5)，若将两因素相加(热膨胀係数与硬度)，则GaN on Si的磊晶技术难度远高于GaN on Al2O3。
晶格常数差异所造成的缺陷，以过往30年GaN on Al2O3的发展经验而言，可藉由各种阻挡缺陷的方法(如ELOG)达到，若考量到不使整体LED结构串联电阻上升，则其中最有效亦是最简单的方法，即是将GaN厚度成长至大于3微米(μm)，藉由差排彼此间迴路(Loop)的形成，无论是刃差排(Edge Dislocation)或是螺旋差排(Screw Dislocation)都可降至5×1018/cm3以下，将此方法用于GaN on Si当然亦可观察至类似的效果。
然而，目前un-doped GaN on Si因热膨胀係数差异过大的因素，使得其极限厚度约为1μm，也因此现今GaN on Si的缺陷远高于5×1019/cm3，这将导致过多的差排穿遂至量子井(MQW)，进而导致发光效率大幅降低，且热膨胀係数差异过大，也会使量子井磊晶层在弯曲的前提下进行成长，这将使得量子井扭曲而影响波长均匀性与发光强度。
减少热膨胀係数差异 打造高品质LED产品
此外，若再考虑Si材料因能隙远较GaN为小，使得超过30%的光被吸收的因素，则LED on Si的发光强度将远小于LED on Al2O3。由本段所述可知，因硬度与热膨胀係数的极大差异，造成LED on Si的磊晶难度确实较LED on Al2O3为高，此亦为世界各大研发机构与LED大厂明知Si基板成本远较Al2O3为低，却无法将其顺利量产的主因，因此LED on Si磊晶技术的最大课题即是在如何减少热膨胀係数差异的影响下，避免因晶格常数差异造成的缺陷，以获得高品质的GaN on Si或LED on Si。
白炽灯泡禁用政策发酵 推升LED市场加速成长
由于目前国际大厂在GaN磊晶于Al2O3基板上的技术发展已臻成熟，加上欧盟、日本、德国及加拿大等国家开始禁用白炽灯泡，在LED特性提升、价格持续下滑及节能政策推动之下，将持续带动LED照明市场成长。2010年全球整体LED产值约287亿美元，其中LED照明产值约43.96亿美元，约占15.3%。工研院产业经济趋势与研究中心(IEK)则预估2020年LED照明总产值将达到总体LED产业产值的52.3%，显见市场成长相当快速。
另一方面，目前工研院针对GaN on Si的磊晶技术掌握度也相当高，其与国际现况相较下，可发现目前工研院的研发能力与国际间的差距甚小。韩国三星(Samsung)的GaN on Si品质，其×-ray(002)与(102)的半高宽分别为300arcsec与430arcsec；而工研院的×-ray(002)与(102)的半高宽分别为319arcsec与484arcsec，与国际大厂不相上下，此高品质的GaN on Si除可用于LED元件的成长，亦可应用于功率元件的製作。
根据欧洲微电子研究中心(IMEC)于2011年发表的数据显示，用于互补式金属氧化物半导体(CMOS)结构的8吋GaN on Si在高温下的操作，即将达到低接触电阻、低漏电及大崩溃电压的应用需求条件。表2为LED on Si的国际比较，可发现台商在小尺寸14mil(350μm×350μm)的LED亮度与国际研发机构相近，惟日本的Shimei Semiconductor的输出功率相对于其他机构高，推测其已将Si基板移除，进而大幅减少因Si能阶小所导致的吸光现象。大尺寸40mil(1mm×1mm)的LED亮度方面，目前台积电所投资的普瑞与欧司朗(Osram)于日前发表的亮度相当。
LED on Si中的关键磊晶技术为GaN on Si的开发，过程中因热膨胀係数极大的差异，使得量子井的成长极易在弯曲的程度下进行磊晶，再加上Si吸光问题严重，因此发光效率至今仍有待提升，预计下阶段将针对LED on Si的磊晶条件作量子井磊的参数调整，以提高整体LED发光效率。
结合硅半导体经验 台湾LED产业走向垂直整合
然而，大部分的氮化镓材料系列发光二极体还是以2吋及4吋的Al2O3或碳化硅基板做为长基板材料，Si基板具有大尺寸及低成本优势，可大幅降低元件製作成本。氮化镓系列材料涵盖从可见光到紫外光发光波段皆具有优异的发光特性，故未来将针对6吋、8吋及12吋作GaN on Si的研发，并应用于LED与功率元件，更可进一步与台湾高度成熟的Si半导体产业结合成光电积体电路，配合晶粒製程技术包括蚀刻、黄光、金属电极镀膜、研磨及切割，在不同元件领域以横向分工、垂直整合的不同策略进行开发，以加强国内在关键光电元组件自主研发、产销之能力，并搭配国内在Si半导体及LED的专利布局，对于未来将GaN on Si技术用于功率元件与LED的开发与推广将是一大利器。
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