硅衬底，跻身主流待何时？

衬底作为半导体照明产业的核心技术，是产业发展的基石，衬底材料的选用直接决定了LED芯片的制造路线。日前，普瑞光电宣布明年将量产8英寸硅衬底的消息引起了业界的格外关注。随后，Cree也发布消息称，其白光功率型LED光效再度刷新行业最高纪录，达到254lm/W。一面是硅衬底这条新技术路线研发取得突破性进展的消息时有爆出，一面是SiC衬底芯片光效的快速提升，而蓝宝石衬底也因产能过剩价格低至谷底而备显竞争力。面对新技术的快速发展和老技术的不断突破，如今，SiC、蓝宝石、硅这三种不同的衬底技术路线，哪种在成本和性能上更具优势?如果越来越多的公司开始量产硅衬底，是否会对SiC与蓝宝石这两种技术路线形成冲击?不同的技术路线，国内外相关研究机构进展又如何?未来哪一种衬底技术路线会更被看好?本刊记者带您一起了解大家对这三条不同衬底技术未来发展的看法。
“逐鹿”硅衬底
尽管可用于GaN基LED的衬底材料较多，但目前产业化的主流衬底只有两种蓝宝石和SiC。因这两种技术路线受到专利、技术壁垒以及成本高等瓶颈制约，探寻具备更高性价比的衬底技术路线成为很多厂家的追求。硅作为一种衬底材料，与蓝宝石和SiC相比，具有低成本、大尺寸、高质量、导电等优点，且硅衬底GaN基材料及器件的研制将进一步促进GaN基器件与传统硅衬底器件工艺的集成，被认为是颇具前途的GaN衬底材料。目前国际上越来越多的LED大厂纷纷加入到对硅衬底技术研究的行列中。
据记者调查了解，日前很多公司研发的硅衬底LED芯片的质量和性能数据已可与蓝宝石衬底芯片相美。例如普瑞光电8英寸硅衬底芯片色温为4700K时，光效已达到160lm/W;色温为3000K时,光效已达到125lm/W，显色指数可达到80。欧司朗标准Golden Dragon Plus LED封装中的蓝光UX:3芯片在3.15V时亮度可达634mW，如果再结合标准封装中的传统荧光粉转换，这些白光LED原型在350mA电流下亮度将达到140lm，色温为4500K时将实现127lm/W的光效。晶能光电2英寸硅衬底量产芯片，色温为5000K时，350mA下普遍光效超过110lm/W，6寸硅衬底芯片研发取得重大进展，性能和2寸片相当，目前正筹备6寸量产制程设备。除此之外，飞利浦、三星也均在硅衬底方面展开研究，而三星更是一开始就瞄准了8英寸大尺寸的直接入手……可以预言，由硅衬底引发的半导体照明核心技术的竞争正在全球掀起。
与蓝宝石和SiC相比，在硅衬底上生长GaN更为困难，这两者之间热失配和晶格失配更大。普瑞光电负责人表示，其采用的新方案已突破硅衬底GaN上下层无法合的技术障碍，但目前采用的新方案技术细节尚不便透露。普瑞光电负责人表示，未来将选择代工模式，与经验丰富的世界级半导体公司合作量产硅衬底，提升产品良率，预计2013年初就将投产。在硅衬底研发方面也已取得良好进展的欧司朗于2012年初对外宣布，其研发人员成功地制造出高性能蓝白光 LED原型，当中的GaN发光层生长于直径为6英寸底的硅衬底上。欧司朗亚太区市场总监钟介聪表示：“目前实验室水平已能获得与蓝宝石衬底相同的品质，全新的LED芯片已经进入试点阶段，将在实际条件下接受测试，首批硅衬底LED芯片有望在两年内投放市场。”
在国外厂家对硅衬底研发水平快速提升的同时，全球首家实现硅衬底GaN基LED大功率芯片商业化的单位晶能光电，早在2006年就已经开始进行硅衬底LED芯片的产业化尝试，先后推出多种规格的硅衬底LED芯片，总体良品率约80%。据记者了解，晶能光电的主要技术支持单位国家硅基LED工程技术研究中心也已研制成功第二代硅衬底LED，光效、合格率和可靠性均有显著提升，同时制造工艺大幅简化，成本显著下降。
“越来越多的公司参与到硅衬底的研究并取得快速的进展，这也说明了硅衬底LED这条技术路线正逐步成为LED照明重要的技术路线之一，由此，硅衬底LED将会占有更高的市场份额。同时，国产硅衬底LED不再孤单，其认知度和市场接受度，不会因为单一的供货源而影响用户推广使用的信心。”南昌大学教授江风益表示：“我们现在把硅衬底LED生长MOCVD设备制造与外延工艺结合起来，已取得喜人进展。近一年的快速进步，更加坚定了走这一自主创新之路的信心和决心。目前项目已经得到国家科技部、工信部、发改委和江西省、南昌市等大力支持。相信坚持下去，持续扶持，会有更好的表现。”
产业化与良品率成关键
硅衬底这一新的技术方式正受到业内许多主要制造商的支持已成为不争的事实，尽管支持程度不一。在这方面展开研究的国际大厂一致认为LED照明市场以后必将趋向于选择硅衬底这种极具吸引力且成本合理的材料。普瑞光电负责人表示：“硅衬底在半导体行业应用广泛，且可实现较大的外延片直径，再加上其出众的热管理特性及具备快速量产及低成本的优势，将可望助力加速LED照明普及。”钟介聪也表示，硅衬底不仅比蓝宝石和SiC便宜，并且更易获得，此外硅衬底可以实现大尺寸，基于大尺寸生产的LED芯片可以增加产量降低成本。
成本优势无疑将成为氮化LED芯片生产从蓝宝石或SiC衬底向硅衬底的转移的重要驱动因素之一。据了解，目前2英寸硅衬底的单价含税大概是30元，加上转移衬底总共不到60元，而2英寸蓝宝石衬底价格即便有大幅度的降低，主流PSS衬底差不多为19美元(加增值税和消费税合155元)。从大规模生产角度来讲，60元的硅衬底和155元的PSS蓝宝石衬底成本相差并不是很大。但是，LED行业的大趋势是向大尺寸衬底方向走。到2014年，可能已经没有什么人在2寸上做LED了。目前6寸蓝宝石衬底价格大约是250美元，并且市场上没有6寸的PSS蓝宝石衬底。相比之下，6寸，甚至8寸的硅衬底，都是在50美元以下。SiC 衬底的售价依然高高在上，几乎为目前其他衬底价格的几十倍以上。可以预知，如果硅衬底实现更大的尺寸，那么成本优势将更为明显，硅衬底大尺寸单位面积价格下降，而蓝宝石大尺寸衬底单位面积价格反而上升。
“Si基GaN在成本方面颇具优越性，硅衬底LED必然会给以蓝宝石或SiC为衬底的LED带来极大的威胁。”钟介聪表示，对于被广泛应用于照明行业的LED而言，未来硅衬底LED还需大幅降低成本。为此，欧司朗将围绕整个技术链研发新方法，从芯片技术到生产工艺再到封装技术，无不涉及。[!--empirenews.page--]
硅衬底的发展作为未来大幅降低生产成本、提高自动化生产程度的一条技术路线，全球诸多知名公司都在积极开拓，那么它现阶段否具备投资价值呢?深市创新投资集团有限公司投资经理张华表示：“如果企业能够在5年内收回投资成本并获取超额收益，则具有投资价值。企业估值要合理，前投资基本用于支持研发，离产业化还很远，公司失败的可能性也很大。所以高风险对应高收益，高收益表明投资成本要足够低。”
产业化及其良品率成为普遍关注的一个问题。“尽管这些国外企业的进展都令人振奋，但尚未到量产时机，个人评估最快的需要2-3年时间。”张华表示，在硅衬底产业化生产过程中，成品率、产品的一致性和均匀性等都是非常关键的问题。一位业内专家也给出了相同的观点：“从现在报道情况来看，有的厂家仅仅告示了其衬底外延片发光水平，很少有芯片的具体产品，即便有芯片产品也没提到成品率，应该说国外企业离产业化还有一段距离。”也有专家表示，这些国外的企业宣传时一味的强调大尺寸，而没有真正产业化的技术都存在各种不确定因素，现在看来这些企业宣传造势的可能性比较大。
“目前在硅衬底上生长的GaN基LED与其他几种衬底生长的LED相比，在性能上还是有差距的，主要是发光效率和可靠性有待进一步提高和验证。”一位业内专家表示，目前硅衬底研发水平最好达到了160lm/W，而蓝宝石目前普遍水平能达到110lm/W，研发水平也达到了249lm/W，所以不能片面的将硅衬底LED芯片目前最好性能与蓝宝石LED芯片普通性能相比。
“相比国外在硅衬底方面的研发技术，我国晶能光电在硅衬底方面的优势在于具有丰富的经验，而且2英寸硅衬底LED芯片已产业化，并有稳定的销售渠道，特别是产业化的芯片性能可靠，并在价格方面具有一定的比较优势。”一位业内专家表示，一般来讲，现在国内用的很多的小芯片来做户内照明，晶能光电的硅衬底LED芯片可能不太适合。 谈到大功率LED，硅衬底芯片的优势就比较明显。更适合做1W以上的大功率，用于指向行强的领域，如：矿灯、射灯、筒灯、路灯。
蓝宝石短期内依然是主流
硅衬底作为一种新的技术路线，国内外对其的研究也持续多年，目前开始酝酿大规模进入产业化轨道。蓝宝石与SiC这两条技术路线也都处在大力研发和生产之中，且相对领先。但不可忽视，硅衬底技术路线与前两条技术路线相比，差距在不断缩小，且发展速度很快。未来，LED技术路线的格局是否会随着硅衬底的快速发展而发生改变，蓝宝石的主流地位是否会被撼动?
“照明用LED芯片一定需具备高亮度、大功率、散热性好等特质，在这样的技术要求下，蓝宝石和SiC仍然是比较好的路线。”中国科学院上海硅酸盐研究所研究员徐军表示，蓝宝石衬底是目前用于GaN生长的主流选择，几乎占据99%的市场，其制造技术成熟性、稳定性、生长GaN的完整性等方面现在都比硅衬底好，预计未来5-10年，衬底目前的这种格局不会发生大的变化。江风益表示，硅衬底LED有其特定的市场优势，不能在所有的五花八门市场中都替代蓝宝石和SiC LED，一切都有待各技术路线今后的进展。山东大学教授徐现刚也表示，5年内这三种技术路线在产业化所占比重是不会发生变化的，未来发展趋势还取决于各种技术成本下降程度和技术发展完善程度。普瑞光电也表示，即便硅衬底大规模产业化，但现阶段是无法预知硅衬底GaN LED将来是否将完全取代蓝宝石衬底的。
在以蓝宝石衬底为主的技术时代里，我们是否还应该大力支持硅衬底的发展呢?徐军表示，尽管硅衬底研究目前取得了较大的进展，在价格、系统集成、剥离等方面也具有一定优势，但中国作为半导体照明的产业大国，一定要抓主流技术路线。但也有绝大多数的专家认为，硅衬底LED技术是我国高科技领域为数不多的拥有自主知识产权的原创技术，目前国外的研发投入力度也是非常大的，尽管我国在产业化方面暂时领先，但丝毫不能轻“敌”，还须快马加鞭，既要将现有的成熟产品扩大生产规模，还要加大研发力度，继续提升发光效率，开发性价比更优的高档芯片，保持企业良好的可持续发展态势，打造具有国际竞争力的民族品牌，让中国在未来LED照明领域成为引领者而不是追随者。
让LED芯片光效不断创新高的SiC衬底，因有巨大的技术壁垒全球SiC产品实现量产的公司目前为止只有十几家，而Cree在GaN基蓝光LED、白光LED和SiC衬底等技术上均处于国际领先地位。中国SiC衬底的生产厂家除天富热电与中科院物理所合作的天科合达外，几乎没有其它企业能够规模化生产，而天科合达的产品也很少应用在半导体照明上。“山东大学虽然也已做出4英寸的SiC衬底，并开始向6英寸发展，但这均只处实验室阶段，需提升的空间依然很大。”一位业内专家表示。