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矽基氮化镓(GaN-on-Si)与蓝宝石基板激战趋向白热化。矽基氮化镓拥有低制造成本优势且效能已可匹敌蓝宝石基板，因而吸引LED大厂竞相投入量产，发展声势日益壮大；不过，传统蓝宝石基板业者也非省油的灯，已全力提升效能并持续降价，防堵矽基氮化镓的攻势。
目前发光二极体(LED)基板市场主流为蓝宝石方案，但未来是否会被镀在矽晶圆上的矽基氮化镓(GaN-on-Si)取代，市场上看法不一。根据Yole Developpement研究报告指出，直至2011～2012年初，矽基氮化镓才发展成熟到足以替代蓝宝石，尽管还不到可全面取代的地步，但市场机会确实已经来临。
矽基GaN取代蓝宝石牛步
从知名LED领导厂商到野心勃勃的新创公司，均竞相投入矽基氮化镓技术研发；不过，最近市场上却同时出现具顶尖效能的蓝宝石基板LED，因而也刺激矽基氮化镓业者加速推进量产时程。其中，位于中国大陆南昌的晶能光电(Lattice Power)是早期投入矽基氮化镓开发的业者之一，已开始生产矽晶圆装置；另外，普瑞光电(Bridgelux)也宣布将在2013年与东芝(Toshiba)合作量产8吋矽晶圆LED。
除上述两家厂商外，其他业者也发表相当不错的成果，但都不约而同表示须在2～3年内才能导入量产。这代表业者目前对此技术的掌握度还不甚完全，距离成功进入市场仍有段距离，且即使真的在3年内突破量产关卡，同时间内，蓝宝石基板技术却也更加成熟，将增加矽基氮化镓技术追赶的困难度。
然而，业者仍将坚持发展矽基LED，主要考量是矽基板远比蓝宝石基板便宜，两者材料价格差异将立刻反应于成本结构上；但若只是单考量基板成本差异，也许多半公司并不愿意经历这段技术转换的阵痛期。
其实，采用矽基板最重要的原因是希望借此活用高度自动化，且生产成本已大幅降低的八吋互补式金属氧化物半导体(CMOS)矽晶圆制造厂，尤其能借重充沛的产能处理磊晶矽晶圆(Epiwafers)，更将是带动矽基板与蓝宝石基板潜在成本差异扩大的主因。
要达到这个目标却有一个重要的前提是让LED制程可与CMOS厂完全相容，不须再进行额外设备投资；另一个关键则是量产技术，因矽基板跟氮化镓的热膨胀系数跟晶格常数(Lattice Constant)不同，会产生应力(Strain)容易导致LED磊晶圆脆裂(图1)，因此，通常须在矽基板加上应力释放层(Strain Management Layer)，此将垫高量产控制难度。此外，产能多寡也是厂商未来须面对的挑战，如何达到稳定且可复制的量产过程仍是困难重重。
矽基氮化镓业者加足马力
中国大陆晶能光电系目前市场上唯一量产矽基氮化镓LED的业者，据Yole Developpement统计，该技术目前只占整体LED市场近乎于微的比例，仅1%，接下来两家重量级业者陆续切入此一市场后，占比才可望逐渐上升。
其中，经营规模较大的为总部设于德国雷根斯堡的欧司朗光电半导体(Osram Opto Semiconductors)，透过在2009年向德国磊晶圆业者Azzurro半导体取得关键技术授权后，在今年1月时就宣称能生产跟蓝宝石基板品质相当的矽基板LED，并积极与马格德堡大学Alois Krost技术团队合作，持续提高产品效能。惟目前该公司仍以6吋晶圆试产，才刚开始进入8吋晶圆测试阶段，且依旧表示还需要2年时间才能放量。
无独有偶，总部位于加州利佛莫尔的LED大厂--普瑞光电，也在2011年时就宣布将把生产主力由蓝宝石转向矽基板，虽然已可制造效能良好的矽基板LED产品，但现阶段还无法与蓝宝石基板相比拟。因此，该公司遂与东芝扩大合作，希望最快在2013年开始生产高效能8吋矽基氮化镓晶圆。
其实，量产矽基氮化镓最大难题在于晶圆表面良率与同质性(Homogeneity)，2011年普瑞光电的矽基氮化镓磊晶圆良率约为每8吋晶圆一千颗优良晶粒，但要达到商业化量产程度至少需要两万颗以上，显示仍待努力；虽然不知道历经1年的发展，当前良率数字提升至何种地步，但预测尚有一段明显差距。
与此同时，飞利浦照明(Philips Lumileds)也加速发展矽基板LED，并获得美国能源部经费支持。尽管该公司已发表一些技术成果，然而，其研发主力大小还是摆在3吋，直至近期6吋蓝宝石晶圆厂刚建置完成，才同步展开6吋矽基板技术研发。此外，韩国三星(Samsung)集团也搭上此股矽基板LED风潮，近来不断加码投资LED技术研究，亦已推出8吋矽基板晶圆装置。
另一方面，一般制造白光LED都以磷化剂搭配蓝色氮化镓发射极，不过，位于美国亚利桑那州凤凰城的玫瑰街实验室(Rose Street Labs)已成功试验出矽基板的蓝光及绿光LED。此一新技术由美国劳伦斯柏克莱国家实验室的半导体专家Wladek Walukiewicz提出，声称2～3年内能走向商业化，增进矽基氮化镓产品的竞争力。
矽基氮化镓量产仍须跨越三道关卡
随着矽基氮化镓LED量产露出曙光，但对市场将带来何种程度的影响仍不明朗，唯一肯定的是，矽基板制造灵活度与成本优势将对蓝宝石造成市场威胁；不过，预料矽基板还须成功跨越三道量产关卡，才能使目标达阵。首先是达到与蓝宝石基板LED相近的效能，其次则是能与CMOS晶圆制程相容，最后还要将生产良率提升到蓝宝石基板差不多。
以目前的情况看来，矽基板LED的效能相当具有竞争力，但将面临与CMOS晶圆厂制程相容性的问题，由于这是降低成本的最主要诱因，所以格外重要。据了解，目前相容性仅约50～70%，代表需更进一步调整制程与更新设备；举例来说，CMOS晶圆厂现在均未具备可测试LED光学效能的光学晶圆测试(Optical Wafer Probing )装置，将成为下一阶段制程设备布局重点。
防堵矽基板攻势蓝宝石厂攻低价长晶技术
诸多大厂力挺矽基板之下，后势发展令人期待，不过，矽基板须不断精进技术，才能确保上市时程与效能不输给相互竞争、且已相当成熟的蓝宝石方案；尤其蓝宝石材料生产技术的近期迭有突破，更将逐渐蚕食矽基板的优势。
最近大幅被采用的图形化蓝宝石晶圆(Patterned Sapphire Wafers-PPS)技术，可大幅提升蓝宝石基板LED亮度，而新的蓝宝石成长技术也将使其版图由6吋扩展到矽基板的主力8吋，且蓝宝石晶圆价格也正快速下降。举例而言，1年前一片6吋蓝宝石晶圆要价450美元，但现在仅约在220～270美元之间，年底很有可能跌破200美元大关，最终则将降到150美元，虽然还是矽基板两倍高的价钱(图2)，但对业者来说成本下降的幅度已相当可观。
蓝宝石基板降价迅速主因为投入该领域的新兴业者愈来愈多，在激烈竞争之下，遂导致价格大战；另外，大型晶柱(Crystal Boules)基板设备业者，开始运用Turn-key方案进行生产，得以成长更大型的晶柱也为降低蓝宝石基板成本带来助益，以相关业者2～3年前的设备为例，仅可产出重达25～35公斤的晶体，但现今设备已经打造重达80～100公斤重的晶体，未来甚至可能超越100公斤。
其他新兴的长晶技术将会超越旧有技术，使蓝宝石材料产制良率翻倍，不过目前仅限于重量低于50公斤的晶体。由于一般蓝宝石晶体都是沿着A切面(A-plane)成长，基板则是朝C面(C-plane)，借此将晶格错位的风险避到最低，但确因此须将晶柱(Boule )跟轴垂直才能片晶，导致片晶难度提高，材料良率一般都低于30%；但现有技术可沿着C轴方向以正轴式长晶，意味着基板业者可像切面包一样轻松片晶，进一步提升材料良率至高达85%。
良率提升也不尽然保证技术前景看好，因正轴式长晶须将晶体拉得更低，导致生长周期延长，但不管是正轴式晶柱还是大型晶柱的长晶法，都可有效地压低成本，同时其它的新技术也会慢慢成熟，像晶带导膜法(Ribbon Growth EFG)虽然很难上手，但却可大幅降低直径6吋以上的基板成本。
综和上述研究，矽基氮化镓LED是否能与效能日渐提升且成本削减的蓝宝石基板氮化镓LED抗衡，看来仍具很多挑战；唯一能期待的是，矽基板LED将是后劲相当强势的黑马，导致蓝宝石基板业者积极备战，近2年只要观察相关厂商加快脚步推动技术进展，以及砍价竞争的发展趋势就会得到答案。
(关键字：LED GaN 氮化镓 矽基氮化镓 蓝宝石基板)
