藍(lán)寶石雖然目前仍然穩(wěn)坐襯底材料龍頭，但隨著LED產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，基于藍(lán)寶石襯底的技術(shù)發(fā)展變緩，再加上其成本高昂、專利壁壘等問題，眾多專家與工程師開始尋求性價(jià)比更高的解決方案，而硅襯底則被業(yè)界寄予了厚望。

       從目前襯底材料的使用來看，世界上絕大多數(shù)的芯片制造商都采用藍(lán)寶石襯底。而近幾年越來越多的大廠開始發(fā)力硅襯底大功率LED芯片技術(shù)，種種市場跡象表明，硅襯底或成為LED領(lǐng)域技術(shù)的聚焦點(diǎn)。
       “我們認(rèn)為，到2017年硅基氮化鎵或許將成為市場主流。其他公司也會將使用硅基氮化鎵(GaN-on-Si)技術(shù)的產(chǎn)品投入市場。”東芝白光LED市場及技術(shù)部高級經(jīng)理高橋望對硅襯底充滿了希冀，他告訴《高工LED》記者之前東芝也使用過各種不同的材料來開發(fā)藍(lán)光LED。最終確定以功率半導(dǎo)體器件的8英寸晶圓技術(shù)為基礎(chǔ)，聚集了諸多研發(fā)人員，進(jìn)行大規(guī)模硅襯底的研發(fā)工作。

       談及于此，高橋望介紹，相較于藍(lán)寶石，硅的導(dǎo)熱系數(shù)高，散熱方面更容易設(shè)計(jì)。8英寸的晶圓(非硅)案例篇成本非常高，使用8英寸晶圓進(jìn)行量產(chǎn)LED的時(shí)候，還有很多生產(chǎn)上的困難。“對于碳化硅(SiC)基底和藍(lán)寶石(Sapphire)基底，我們認(rèn)為他們的最大尺寸為6英寸。”他說：“東芝的硅基氮化鎵技術(shù)具有的成本優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在材料上，還體現(xiàn)在使用8英寸晶圓的工藝上。并且我們能夠利用之前生產(chǎn)其他8英寸硅晶圓產(chǎn)品的設(shè)備來進(jìn)行生產(chǎn)。因此，我們具有這樣的優(yōu)勢：量產(chǎn)控制方法的改進(jìn)和高質(zhì)量的結(jié)晶產(chǎn)品。”

       硅襯底和其他兩種襯底，碳化硅和藍(lán)寶石相比，最大的技術(shù)難點(diǎn)是晶格失配和熱失配。“在硅基板上生長GaN層比較困難，難以得到較好的結(jié)晶，因此實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還是一個(gè)挑戰(zhàn)。但東芝領(lǐng)先于其他公司，確立了硅基氮化鎵技術(shù)，使用硅基底實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。” 高橋望笑著說。

       具體而言，硅和氮化鎵的晶格失配最大，是碳化硅的幾倍。大的晶格失配會導(dǎo)致氮化鎵材料中出現(xiàn)較高的位錯(cuò)密度，也正是這個(gè)原因使得人們在很長一段時(shí)間內(nèi)認(rèn)為硅襯底是一條走不通的技術(shù)路線。同時(shí)，硅襯底和氮化鎵之間有很大的熱失配，這個(gè)問題導(dǎo)致在高溫生長時(shí)兩者達(dá)到一定的匹配，可是降到室溫后，由于兩者的熱膨脹系數(shù)差異很大，會導(dǎo)致龜裂等問題的產(chǎn)生。

       高橋望表示，氮化鎵生長在硅基底上的條件要比氮化鎵生長在藍(lán)寶石上的條件困難的多。但即便如此，東芝使用硅基氮化鎵(GaN-on-Si)的產(chǎn)品效率已經(jīng)達(dá)到了170~180lm/W，因此，他相信不久的將來，硅基產(chǎn)品可以替代藍(lán)寶石基底產(chǎn)品。

       據(jù)悉， 目前東芝主要生產(chǎn)的L E D 芯片尺寸為：1.1x1.1mm和1.4x1.4mm。芯片尺寸取決于所加功率， 大于1.1x1.1mm和1.4x1.4mm的L E D 芯片適用于1~3W類型的產(chǎn)品，這一點(diǎn)與藍(lán)寶石芯片的大小基本相同?，F(xiàn)在的輸出功率在700mW左右(硅樹脂封裝條件下)。

       從生產(chǎn)工藝來看，硅襯底大尺寸可借用人類經(jīng)過多年技術(shù)積累發(fā)展出來的硅集成電路生產(chǎn)工藝來制作LED，從而大幅度提高自動(dòng)化程度，同時(shí)由于最大限度的降低了人員的參與，芯片的可靠性、一致性和良率都會大幅度提高，還可以降低人工成本，降低LED綜合成本20-30%，這對于整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)來說是一個(gè)革命性的顛覆。

       此外，硅襯底上氮化鎵功率器件也是很重要的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，有望超越傳統(tǒng)的功率器件開拓出一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。以氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體一個(gè)主要特點(diǎn)就是寬帶隙。這個(gè)特點(diǎn)使得其制作的器件具有擊穿電壓高、電流密度大、工作溫度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在大功率、高溫電力電子器件應(yīng)用方面性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的硅和砷化鎵基電子器件。其應(yīng)用范圍將涵括電腦，手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，電源，電機(jī)，UPS，電動(dòng)汽車，基站，電廠等。采用硅來作為氮化鎵電子器件的襯底已經(jīng)是國際共識，主要是由于硅具有其他襯底材料無可比擬的成本優(yōu)勢。

       從產(chǎn)業(yè)格局來看，目前全球LED產(chǎn)業(yè)格局成美國、亞洲、歐洲三足鼎立之勢，美國的CREE、歐洲的歐司朗、飛利浦(Philips Lumileds)、日本的日亞化學(xué)、豐田合成等五大廠商，掌控了全球LED市場，壟斷了G aN基藍(lán)光LE D、白光LE D的核心技術(shù)和專利。這些廠商為了維持競爭優(yōu)勢、保持自身市場份額而申請的專利，幾乎覆蓋了原材料、設(shè)備、封裝、應(yīng)用在內(nèi)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。

       廠商間通過專利授權(quán)和交叉授權(quán)來進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)，不僅阻礙了新進(jìn)入者的產(chǎn)生，也在一定程度上增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。因此，開發(fā)并建立一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利體系，不但可成為企業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，也可以為企業(yè)未來的發(fā)展做好準(zhǔn)備。就這個(gè)層面而言，硅襯底的研發(fā)，已不僅僅是單純的技術(shù)研發(fā)了，更是為LED企業(yè)的未來發(fā)展鋪路。

       硅襯底LED技術(shù)從襯底源頭上避開了藍(lán)寶石襯底和碳化硅襯底技術(shù)路線所形成的國際專利圍剿，可從小功率LED芯片技術(shù)到高難度的大功率LED芯片技術(shù)，形成自有的專利體系。“硅基氮化鎵技術(shù)是一項(xiàng)相當(dāng)新的技術(shù)，因此，在這樣新的技術(shù)環(huán)境中，我們能更更快地發(fā)現(xiàn)新技術(shù)。東芝將努力獲得更多新的專利。” 高橋望如是說。