目前，藍寶石雖然穩(wěn)坐襯底材料的龍頭地位，但隨著產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，競爭日趨激烈，基于藍寶石襯底的技術(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比更高的解決方案：不同的襯底材料。其中，硅襯底被業(yè)界寄予了很高的厚望，不少大廠也在躍躍欲試，但仍然鮮有實質(zhì)性的進展，并且在去年曾有媒體報道指出，硅襯底將“胎死腹中”。

       “在中村的研究小組里面的工作經(jīng)歷和研究對于自己今后在產(chǎn)業(yè)界的工作非常有幫助，這些研究經(jīng)驗是實際的、工作中用得到的技術(shù)。”談到當(dāng)初在中村研究小組的經(jīng)歷，陳振博士如是說。

       離開中村的實驗室之后，陳振博士加入了美國一家LED公司，并在該公司制作了硅襯底上的原型LED器件。“當(dāng)我們看到第一個原型器件亮度就達到了藍寶石的50%，我們判斷硅襯底這條技術(shù)路線是可行的。后來我了解到中國的晶能光電也在做硅襯底LED器件，且早在09年就已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。作為一名技術(shù)人員，我深刻地知道在硅襯底上長LED材料的困難，而中國卻誕生了這樣了不起的技術(shù)，并超前全球其他廠家，再加上對LED技術(shù)的一種追求，我加入了晶能。”

       下一個被爭搶的技術(shù)

       從目前襯底材料的使用來看，除了Cree采用碳化硅襯底、晶能采用硅襯底(Si)，世界上絕大多數(shù)的芯片制造商都采用藍寶石襯底。幾家國際大廠也在大力跟進硅襯底大功率LED芯片技術(shù)，如東芝購買了普瑞的技術(shù)后切入硅襯底，三星宣布明年的技術(shù)路線和產(chǎn)品是硅襯底的芯片。種種市場跡象和技術(shù)趨勢表明，硅襯底會是LED領(lǐng)域下一個被爭搶的技術(shù)。

       談到硅襯底如何能在藍寶石襯底壟斷半壁江山的情況下另開辟出一片新天地，陳振博士非常熟稔地向記者介紹硅的優(yōu)勢。他表示，首先是襯底材料本身的優(yōu)勢。硅襯底材料具有低成本、大尺寸、可導(dǎo)電的特點。硅襯底比藍寶石更加適合于大尺寸外延。藍寶石襯底技術(shù)從2寸轉(zhuǎn)向6寸、8寸時技術(shù)壁壘非常高，生產(chǎn)成本不降反升。而硅襯底卻恰恰相反，可以在大尺寸上制作，從2寸到6寸，甚至更大尺寸，從而避免邊緣效應(yīng)，大幅度提高良率。硅集成電路產(chǎn)業(yè)不斷提高襯底尺寸，從8寸到10寸，乃至12寸也是這個原因。另外，器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。硅襯底LED是垂直結(jié)構(gòu)，單面發(fā)光，可使硅襯底LED的光斑好，方向容易管控，電流擴散快，適合大電流驅(qū)動。良好的導(dǎo)熱性能可以使制造的LED器件的散熱更好。

       對于小功率硅襯底LED芯片，封裝時可以少打一根金屬線，電極所占發(fā)光面積更小、可靠性更高，所以其在數(shù)碼、顯示領(lǐng)域等需要密集排列的小芯片市場具有比較大的優(yōu)勢，產(chǎn)品已經(jīng)進入大眾汽車等品牌，用于儀表盤的背光。 　【高工LED綜合報道】對于大功率硅襯底LED芯片，單面出光容易控制方向，做出的應(yīng)用產(chǎn)品射程遠、光品質(zhì)好，極為適合需要高品質(zhì)出光的高端照明領(lǐng)域應(yīng)用，在汽車大燈、手機閃光燈、電視背光、高端便攜式照明、高端室內(nèi)照明等大功率LED應(yīng)用領(lǐng)域具有性能優(yōu)勢。由于硅襯底LED芯片采用剝離方法徹底消除了發(fā)光薄膜和襯底之間的應(yīng)力，加之垂直結(jié)構(gòu)電流擴散快，單位面積承載電流的能力強，適用于大功率LED的應(yīng)用。

       緩解應(yīng)力 降低位錯密度

       硅襯底和其他兩種襯底，碳化硅和藍寶石相比，最大的技術(shù)難點是晶格失配和熱失配。“但這也正是在硅襯底上制作GaN LED對一個技術(shù)人員的吸引力和魅力所在。”陳振博士笑著說。

       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)較高的位錯密度，也正是這個原因使得人們在很長一段時間內(nèi)認為硅襯底是一條走不通的技術(shù)路線。

       另外，硅襯底和氮化鎵之間有很大的熱失配，這個問題導(dǎo)致在高溫生長時兩者達到一定的匹配，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。

       面對這兩大技術(shù)難點，晶能團隊的辦法是：采用多種緩沖層來緩解應(yīng)力，以及多種復(fù)雜的位錯過濾層來降低位錯密度。

       陳振博士表示，目前硅襯底的光效已經(jīng)可以做得和藍寶石一樣好。晶能硅襯底LED研究水平達到了160lm/W，生產(chǎn)水平達到了145lm/W，這也是目前國際上的最高水平。

       突圍國際專利壁壘

       硅襯底完整的專利保護是未來我國LED面臨專利風(fēng)險的有效武器。陳振博士認為，硅襯底LED技術(shù)從襯底源頭上避開了藍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。晶能光電圍繞硅襯底LED技術(shù)已經(jīng)申請或授權(quán)國際國內(nèi)專利230多項，其中美國發(fā)明專利29項、歐洲43項。“這對于我們規(guī)避國外大廠的專利訴訟是有效的武器。”陳振博士如是說。

       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GaN基藍光LED、白光LED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)的整個產(chǎn)業(yè)鏈。此外，廠商間通過專利授權(quán)和交叉授權(quán)來進行研發(fā)和生產(chǎn)，不僅阻礙了新進入者的產(chǎn)生，也在一定程度上增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

       中國作為LED行業(yè)的后來者，雖然擁有龐大的企業(yè)數(shù)量，但上游的襯底芯片企業(yè)占比少，加起來不超過100家，且沒有獲得核心技術(shù)，專利申請數(shù)量也少，企業(yè)規(guī)模較小時尚不足引起國外巨頭的關(guān)注，一旦規(guī)模做大，專利問題則無法規(guī)避。早前日亞化學(xué)與CREE的專利糾紛，結(jié)束了其一家獨大的競爭格局。雖然目前很多專利面臨到期問題，為中國企業(yè)提供了一個購買核心專利的契機，但這畢竟不能當(dāng)作救命稻草。 　【高工LED綜合報道】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)，也可以為中國企業(yè)未來的發(fā)展打破專利壁壘。從這個意義上講，硅襯底的研發(fā)，已不僅僅是單純的技術(shù)研發(fā)了，更是為中國LED企業(yè)的未來發(fā)展鋪路。

       有望助力LED產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級

       從生產(chǎn)角度看，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化程度，同時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LED產(chǎn)業(yè)來說是一個革命性的顛覆。

       此外，硅襯底上氮化鎵功率器件也是很重要的一個應(yīng)用領(lǐng)域，有望超越傳統(tǒng)的功率器件開拓出一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。以氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體一個主要特點就是禁帶寬度寬。這個特點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，因此在大功率、高溫電力電子器件應(yīng)用方面性能遠優(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，數(shù)碼相機，電源，電機，UPS，電動汽車，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。

       說起硅襯底的未來，陳振博士則向記者談到：“希望通過導(dǎo)入硅襯底，從本質(zhì)上改變LED行業(yè)的技術(shù)，使得GaN LED從一個半自動化的、人力密集型的產(chǎn)業(yè)升級成為和現(xiàn)代集成電路工藝相當(dāng)?shù)母咦詣踊⒏呔鹊陌雽?dǎo)體行業(yè)。希望新技術(shù)同時帶來低成本和高控制精度，最終形成一個標準的制造業(yè)。