硅基板适于大尺寸发展
硅(Si-111)基板亦是全球LED供应商积极投入研发的基板材料之一,最大特色在于可与硅电子元件整合、高散热、低成本及适合大型化发展,而硅本身为导电材料(蓝宝石基板为非导电材料),芯片的正、负电极可做在晶片两边,缩小芯片尺寸。
虽硅基板在成本上具优势,但是晶格匹配常数为17%、热膨胀系数54%与氮化镓有很大差异(表1),导致薄膜在成长时或室温下,易出现破裂、缺陷或晶圆弯曲变形。
另外,硅与镓之间易产生反应,造成氮化镓与硅基板的介面出现孔洞,须要加入一层氮化铝做为缓冲层(Buffer Layer)。东芝与Bridgelux合作的8英寸硅基板技术,便采用Bridgelux独家缓冲层技术,成功产出在室温状态依然平滑的无裂痕晶圆,拉近与蓝宝石基板相近的良率。
LED大厂相继投入硅基板研发
与其他基板相较,蓝宝石基板从2英寸开始发展至今,技术相对成熟,已为市场主流尺寸。不过为追求低成本量产效益,自2011年起厂商陆续转入4英寸基板开发,目前逐渐商品化;6英寸基板因面积大型化,易出现破裂等问题,仍以实验室阶段为主,尚无商品化经验值。
碳化硅基板因Cree积极投入研发多年,目前商品化尺寸为4英寸,自2011年起,该公司也开始朝基板大型化发展;至于硅基板,因看好基板大型化后,硅基板成本较蓝宝石和碳化硅基板具低价优势,目前多数厂商都已投入研发(图1)。
若以Bridgelux的8英寸晶片计算,目前可产出一千颗大尺寸的合格LED,不过要真正商品化,在同样大小晶片上,至少要多出一倍产出,达两千颗左右,所以如何提升硅基板良率是目前开发上的突破关键。
另一方面,欧司朗(Osram)也已于2012年初,成功研制在直径150毫米(6英寸)硅晶圆上长成氮化镓发光层,这个名为Golden Dragon Plus LED的蓝光UX:3晶片,在尺寸大小1平方毫米(mm2),色温4500K,电流350毫安培(mA)(电压3.5伏特)操作下,亮度可达634毫瓦(mW)。
若将UX:3 LED晶片,加上标准封装中的传统萤光粉转换,在350mA操作电流下,发光效率可达127流明/瓦(lm/W)佳绩。以一片6英寸晶圆计算,已可制造出一万七千颗约1平方毫米大小的LED晶片。此外,欧司朗研究人员也已研发出200毫米(约8英寸)的基板。
Bridgelux继2011年8月宣布,以硅基板LED技术在实验室中,冷白光LED(色温4350K),效率可达到160lm/W,暖白光LED(色温2940K),效率可达到125lm/W后;在2012年美国拉斯维加斯「LightFair International」照明展中,也宣布可实现量产8英寸硅基氮化镓的GaN型LED。该公司目前效率最好的LED晶片,在尺寸大小1mm2,电流350mA(电压小于3.5V)的操作下,亮度可达614mW。
法国研究单位Yole D?veloppement资料显示,以平均1mm2大小的LED芯片为比较基准,硅基板产出的LED,与现有蓝宝石及碳化硅基板产品的LED效率发展比较,至2015年LED商品化效率相距无几,同时也较高压纳灯效率为高。