目前，藍(lán)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(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：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(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，并且在去年曾有媒體報(bào)道指出，硅襯底將“胎死腹中”。

晶能光電陳振博士，曾是新科諾獎(jiǎng)得主中村修二的學(xué)生，并曾親身參與硅襯底高功率GaN發(fā)光二極管項(xiàng)目，目前從事硅襯底材料實(shí)際應(yīng)用的研究。硅襯底究竟進(jìn)展到什么樣的水平？未來是否可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用？《新世紀(jì)LED》記者對陳振博士進(jìn)行了專訪。

“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(yàn)是實(shí)際的、工作中用得到的技術(shù)?！闭劦疆?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(shí)驗(yàn)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?！爱?dāng)我們看到第一個(gè)原型器件亮度就達(dá)到了藍(lán)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?！?/span>

下一個(gè)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(lán)寶石襯底。幾家國際大廠也在大力跟進(jìn)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(gè)被爭搶的技術(shù)。

談到硅襯底如何能在藍(lán)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(diǎn)。硅襯底比藍(lán)寶石更加適合于大尺寸外延。藍(lán)寶石襯底技術(shù)從2寸轉(zhuǎn)向6寸、8寸時(shí)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(gè)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(kuò)散快，適合大電流驅(qū)動(dòng)。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(shí)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(jìn)入大眾汽車等品牌，用于儀表盤的背光。

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(yuǎn)、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(jī)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(kuò)散快，單位面積承載電流的能力強(qiáng)，適用于大功率LED的應(yīng)用。

緩解應(yīng)力 降低位錯(cuò)密度

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。“但這也正是在硅襯底上制作GaN LED對一個(gè)技術(shù)人員的吸引力和魅力所在?！标愓癫┦啃χf。

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。

另外，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。

面對這兩大技術(shù)難點(diǎn)，晶能團(tuán)隊(duì)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(cuò)過濾層來降低位錯(cuò)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(lán)寶石一樣好。晶能硅襯底LED研究水平達(dá)到了160lm/W，生產(chǎn)水平達(dá)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(hù)是未來我國LED面臨專利風(fēng)險(xiǎn)的有效武器。陳振博士認(rèn)為，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。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(xiàng)，其中美國發(fā)明專利29項(xiàng)、歐洲43項(xiàng)?！斑@對于我們規(guī)避國外大廠的專利訴訟是有效的武器?！标愓癫┦咳缡钦f。

目前，全球LED產(chǎn)業(yè)格局被國際巨頭企業(yè)掌控了全球LED市場，壟斷了GaN基藍(lán)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(gè)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(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。

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(shí)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(dú)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(gè)購買核心專利的契機(jī)，但這畢竟不能當(dāng)作救命稻草。

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(gè)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(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)就是禁帶寬度寬。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。

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(gè)半自動(dòng)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?dòng)化、高精度的半導(dǎo)體行業(yè)。希望新技術(shù)同時(shí)帶來低成本和高控制精度，最終形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制造業(yè)。