实现可量产大直径晶圆矽基板氮化镓LED

AZZURRO Semiconductors AG VP Sales & Marketing, Erwin Ysewijn

据DOE最新报告指出，不同功率之Packaged LED终端价格每年均以至少20%的速度持续下滑，而在组装、驱动、机构？散热、二次光学、LED封装各部分的生产成本压缩效益相对有限，必须从芯片、制程寻求更高效益的产制方式，来满足未来对LED产品的价格要求，持续提升LED照明产品的市场竞争力...

根据美国能源部(DOE)最新研究数据显示，过去几年，LED市场终端价格一直在持续压缩，观察Packaged LED的价格趋势，在相对价格趋势方面，Packaged LED元器件几乎以每年20%递减的速度下修！即便在Low Power的Packaged LED产品下滑幅度缓和，但对于目前相对量大的Mid Power Packaged LED、Hi Power Packaged LED元件，则有20~40%的下修幅度。

对于LED固态光源照明应用，从系统产品到光源本身的元器件，甚至LED元件的封装、芯片与源头的晶圆制程，在因应市场的成本结构性变化，都必须进行大幅的调整，以因应持续压缩的成本要求，尤其是材料段、制程段的成本结构改善幅度，会比组装段与系统段可以再努力的空间要更大得多，加上矽芯片的制程改善方案，将可再将中？高功率LED芯片制作成本再压低，才有机会达到更巨幅的成本压缩效益，持续维持中？高功率LED元件的市场竞争实力。

全球LED产品成本与价格每年以20%幅度递减

另从LED产品产业链检视其生产成本，从组装、驱动、机构？散热、二次光学、LED封装各部分的制作成本，均持续压缩中，降低的速度相当快。因应此价格与成本的走向趋势，这代表着LED产业面临极大的成本压缩挑战，尤其在中、高功率的产品方面，更需尽可能压缩成本，回应市场需求。

从此相对价格的走势，可以推导几个LED产业的主要挑战，如优化晶圆制程、转移到更大尺寸的晶圆制程、降低材料成本、使用直径200mm硅片厂量产方案、针对制程全面提升产量、产品尽可能采同质化方向以减少芯片分级衍生的额外生产成本...等方法，只要能解决上述问题，至少可使Packaged LED产品在制作源头就能达到有效的成本控制，搭配后段各制作程序的生产优化，让产品更具市场竞争力。

自DOE LED市场报告分析显示，随着原有生产LED制程的持续改善、更低成本的材料投入生产程序，同时又有更新制程奥援，这使得Packaged LED产品除每年达到2倍成长速度外、同时却又呈现每2~3年即出现组装成本、封装成本近50%的压缩。生产程序反而需在测试段、验证段程序速度需跟上产量，同时测试验证成本也必须有效降低，LED照明业者才能保有市场的领导地位。

善用GaN-on-Si技术优势 积极强化LED产品成本结构

归纳提升产能、降低成本的相关方案，总归可有四大努力重点，分别是更快的生产周期、改善半导体制程、强化产品自动化测试与分级、采行简化的分级目标，让产品可更快速地产制同时压低生产成本。现行LED照明产业仍是以50mm(2寸)或100mm(4寸)之蓝宝石基板为芯片产制基础，若可善用更大直径(面积)之矽基板氮化镓(GaN-on-Si)技术，即可发挥既有的矽晶ECO System的制程技术与经济规模效益，达到降低整体LED成本目标。

早期GaN-on-Si制程虽有多项优势，但在加大产制面积时却仍须克服晶圆表面平整、均匀度改善问题，随着GaN-on-Si与新的专利技术挹注，LED光源产品若能导入200mm GaN-on-Si晶圆制程，在基板Substrate、Epitaxy、Device与成品System整个LED照明产品产业链所产生的成本压缩效益是相当惊人的。

例如，LED基板可使用更大、成本更低的GaN-on-Si基板，这个部分，可从50mm至200mm不等，技术上可将单一晶圆可生产的LED芯片量产生数倍的提升效益，新旧制程最高可达到差距15倍的数量差异。Epitaxy可减少晶圆的growth times、同时达到更佳的平整度与提升均匀性，这部份则可达到40%的改善。

在Device方面，若在芯片段可以使用新的芯片产品，将可获得更低的模块产制处理成本，其效益可达到两倍。而在System终端产品方面，制造业者将可使用更低成本的Packaged LED，可直接减省系统组装成本，此部份可因导入200mm GaN-on-Si晶圆制程，而获得65%的成本降低效益。

AZZURRO GaN-on-Si专利技术 可协助厂商快速导入新制程

AZZURRO目前关注于高功率LED产品与一般功率LED产品两大市场，目前在GaN-on-Si技术，已拥有完整的技术专利与生产经验，目前在150mm、200mm尺寸GaN-on-Si已导入量产，AZZURRO在亚洲于台北亦设有中、韩、日多语言客户支持。

在现在最热门的GaN-on-Si技术方面，AZZURRO已经可为客户满足快速将原有制程移转至GaN-on-Si制程，可协助客户快速将原有产线升级至GaN-on-Si，生产低成本、高效益之LED产品。而原有客户可继续使用既有的LED设计方案，再利用新颖的GaN-on-Si技术扩充产能、增加产品量率，同时也达到更高的生产效能，甚至还可持续压低产制成本，持续保有市场竞争能力。

即便GaN-on-Si具降低成本的显着优势，但因为GaN-on-Si在提出时技术难度较高，因此未能获得大量采用，尤其是矽基板和GaN之材料热膨胀系数差异，往往会在制造过程形成不规则曲度、甚至是薄膜厚度表现不一致问题，在晶圆进行后段加工容易产生碎裂，或让终端产品出现电性表现差异问题，增加日后LED制造分选(binning)困扰。

在GaN-on-Si关键技术上，AZZURRO的专利制程技术，可以在加大产制面积的同时、维持与旧制程一致表现的晶圆表面平整度，而大直径GaN-on-Si晶圆可使用在LED与功率半导体应用制造，这比较现有的蓝宝石基板，可利用矽晶晶圆基础，令产品达到更好的性价比。

加上GaN之导通电阻较低，亦可提供较现有设计方案相同面积之矽晶元件效率表现更高，而传导性更佳、切换功率损失更低，制成终端产品使用时其运行过程所产生的热能相对较低，还可因此达到简化产品散热设计的效益。

专注提升晶圆平整度、薄化稳定性 满足用户开发产品所需

另在产制晶圆均匀度方面，AZZURRO在此相关专利技术为在制造GaN-on-Si时，先于矽基板上长出GaN材料之缓冲层(buffer layer)，在利用产品所需的应用需求，于晶圆之缓冲层之上再进行GaN薄膜生成。AZZURRO具专利应力控制技术，透过缓冲层克服晶圆表面曲度和薄膜厚度不一问题，使其可控性增加，改善产品良率。

在LED光源应用方面，厂家可在AZZURRO矽基已处理缓冲层之晶圆上，再进行GaN薄膜生成，维持相同结构，生成的薄膜厚度极小、稳定性也相对较高，可简化从蓝宝石移植至矽基板传统设计方案，同时亦可缩短周期时间，提升产能利用率。利用AZZURRO技术，可将LED芯片产制成本压缩60%以上，晶圆的growth times可以达到减少40%耗时的效益，加上目前可量产尺寸已达150mm、200mm，对于降低LED成本有相当大的助益。

而在压缩成本方面，因此用低价的矽基材，业者可以用更高效率的方式进行加工，同时制程已经全面优化，搭配改善产品的同质化、削减分级成本，也能让LED成品获得大幅度的成本降低效用。

基本上，GaN-on-Si解决方案，可以令LED的产制成本，在产量、生产效率与生产成本均可获得大幅度的改善，同时因为基于矽基材的制程变更，原有设备仅需小幅调整即可转换，加上现有制程已拥有大量矽基材相关制程设备与制造经验，可以将GaN-on-Si的开发成果于原有设备、技术上再进行深度开发，对现有制程升级的业者来说，仅需追加GaN-on-Si的配套设备与技术，原有矽基材设备、制造技术与经验得以沿续，自然可在设备投资方面以最小投资换取最大效益，实现以最低成本结构进行中/高亮度LED芯片、元件生产目的。