今年硅基氮化鎵（GaN-on-Si）基板市場發展急凍。去年5月底，普瑞光電（Bridgelux）與東芝（Toshiba）風光宣布，共同成功開發出基于8吋GaN-on-Si基板技術的發光二極體（LED）晶片，該元件採用350毫安培（mA）電流，電壓小于3.1伏特（V）、大小僅1.1毫米、亮度可達614毫瓦（mW）。

　　不料，在這振奮人心的消息過后不到1年的時間，今年4月底普瑞光電與東芝再度共同宣布，普瑞光電將出售旗下所有GaN-on-Si技術資產予東芝，兩者于GaN-on-Si基板上的技術合作將告一段落，此舉猶如在業界投下一枚威力不小的震撼彈。

　　據了解，在最新的協議中，普瑞光電將向東芝出售其GaN-on-Si技術和相關資產，未來雙方將透過延長的授權與制造關系，增強策略技術合作。這項資產轉移協議相關程序已于5月底順利完成。

　　普瑞光電執行長Brad Bullington表示，普瑞光電與東芝將共同邁向GaN-on-Si基板LED固態照明技術的下一個里程碑，未來普瑞光電仍將致力推動GaN-on- Si技術商用化，不過，于此同時，普瑞光電將持續開發藍寶石LED基板方案，以藉此提供客戶更高水準及創新服務。

　　東芝企業副總裁兼半導體與儲存產品執行副總裁Makoto Hideshima認為，與普瑞光電的合作進入新階段后，東芝就能加快8吋GaN-on-Si LED晶圓的規模化生產，此舉將讓雙方各自的LED業務部門業績持續成長。不僅如此，東芝獲得的GaN-on-Si技術還將為東芝功率元件的開發與生產帶來突破。

　　針對上述消息，晶元光電研發中心副總裁謝明勛指出，普瑞光電與東芝的合作動態正如同磊晶業界的投資風向球，由于GaN-on-Si技術突破需要一段更長的時間，若就單純以業界目前的進度而言，至少還需3年才能進入大尺寸基板量產的成熟階段，因此，此次的消息發布并不讓人意外。

　　事實上，目前LED照明市場的基板市占仍以藍寶石基板及碳化硅（SiC）基板為主，而雖然近年GaN-on-Si基板技術亦快速崛起，但目前GaN-on-Si基板除良率外，還有幾項挑戰待解。

　　臺積固態照明總經理譚昌琳分析，GaN-on-Si基板剛開始受到關注的塬因，即硅材于半導體制程技術已相當成熟，但實際上GaN-on- Si基板在成長過程當中產生的彎曲情形，并無法適用于現有的晶圓平整設備，因此，生產GaN-on-Si基板的設備投資金額幾乎等同于投資一家新的8吋廠，而高昂的投資數目遂成為廠商發展躊躇的一大塬因。

　　不僅如此，現行大尺寸LED磊晶有機金屬化學氣相沉積（MOCVD）系統的實戰經驗不足，去年第四季愛思強（AIXTRON）才推出8吋產線版本，而目前12吋版本基本上仍系單片方案，屬于磊晶廠的研發（RD）階段設備，距離正式運轉、大規模商用化還須1？2年測試時間。

　　另一方面，因硅基板本身具吸光特性，所以廠商為提高LED晶片發光效率，多半都會在磊晶生成以后將硅基板去掉，并須在封裝步驟時加上反射層，增強LED晶片整體亮度表現，因此，整體的物料成本是否能顯著下降仍充滿許多問號。

　　LED應用遭遇技術瓶頸　業界轉向功率元件市場

　　工研院電光所光電元件與系統應用組光電磊晶元件部經理宣融表示，由于LED GaN-on-Si技術門檻高，今年上半年開始，已有幾家磊晶廠開始遭遇重大技術瓶頸，加上GaN-on-Si基板技術前段投資金額龐大，廠商在無法達到超過50%的良率情況下，將開始改變投資策略，因此，可預見從今年下半年開始，投資GaN-on-Si基板技術的磊晶廠數量將會急速下滑。

　　宣融進一步分析，以單顆LED晶粒（Single Die）的成本結構來說，基板、MOCVD系統磊晶生成、晶片制程分別占7%、30%、63%的比例。為使硅基板成本于7%的成本比例中彰顯效益、拉開與藍寶石（Sapphire）基板的差距，GaN-on-Si基板廠商皆將目標放在以8吋晶圓生產，而這也是磊晶廠商決定是否持續投資的重要指標。

　　宣融解釋，在現行的MOCVD機臺面積裡，無論晶圓直徑大小，皆須切除3毫米（mm）的受熱不均勻邊緣，因此，若分別將十四片4吋晶圓、八片6吋晶圓、五片8吋晶圓與五十六片2吋晶圓系統投資成本相比，大尺寸晶圓的有效面積將大上許多，以5片8吋晶圓方案為例，由于其有效面積較2吋方案多出74%，因此可以58%的系統投資成本，得到相同的GaN-on-Si基板效益。

　　有鑑于此，業界正戮力開發6--8吋、甚至12吋的大尺寸GaN-on-Si基板。據了解，目前工研院電光所為國內少數已具備成熟6吋GaN-on-Si基板技術的研究單位（圖3），其研發的GaN-on-Si基板的晶體發光效率已達藍寶石基板方案的七成，并有望于近幾個月提升至同樣水準；此外，目前電光所研發的GaN-on-Si基板工作電壓已接近藍寶石基板方案上限--3.2伏特（V），未來將進一步降低，以改善GaN薄膜的缺陷密度（Defect Density）。

　　圖1 工研院目前已順利研發出6吋GaN-on-Si基板。

　　宣融透露，雖然GaN-on-Si基板技術難度高，且有多項門檻須進一步突破，導致愿意投資的廠家數目減少，但長期而言，相較于現行基板技術，GaN- on-Si基板能為LED帶來的成本效益仍十分可期，因此，未來電光所將持續往量產方向邁進，待明年發光效率、良率提高、基板尺寸擴大至8吋后，電光所將進一步朝技術轉移給磊晶廠或成立獨資公司。

　　除工研院之外，臺積電、聯電、晶元光電皆持續投資GaN-on-Si基板技術，不過，相較于去年業界共同看好LED採用GaN-on-Si基板技術的態度，今年廠商的態度則有大幅度的轉變。

　　宣融指出，由于LED與功率元件應用市場的GaN-on-Si基板前段磊晶技術相似，在LED應用市場毛利不斷下滑的趨勢下，廠商寧可將投資目標鎖定在新興、高毛利取向，且技術門檻較低的功率元件應用市場。

　　廠商政策大轉彎的另一大塬因，還有相較于LED應用的GaN-on-Si基板技術，功率元件GaN-on-Si對于薄膜缺陷密度要求較低，且免除LED發光所需的波長均勻度一致的技術門檻。最重要的是，功率元件GaN薄膜無須經過硅摻雜（Doping）程序，于硅基板上成長的難度較低。

　　據了解，目前工研院皆已研發出6吋功率元件及LED照明應用的GaN-on-Si基板；臺積電自身研發功率元件應用的GaN-on-Si基板技術，其子公司臺積固態照明則負責LED應用市場；聯電將大部分的資源投放至功率元件應用市場；晶元光電塬本系LED磊晶市場佼佼者，現在也積極研發功率元件GaN- on-Si基板技術，欲藉此契機跨足新型應用市場（表1）。

　　在GaN-on-Si基板LED前途未見明朗之時，新一波的基板技術--氮化鎵對氮化鎵基板（GaN-on-GaN）LED聲勢逐漸看漲。

　　GaN-on-Si陷膠著　GaN-on-GaN基板趁勢崛起

　　GaN-on-GaN基板毋須克服讓GaN-on-Si基板LED研發人員頭痛的晶格、熱膨脹系數等問題，加上GaN基板技術迭有突破，價格下滑可期，因而逐漸成為備受矚目的LED基板替代方案。

　　有鑑于此，業界已將注意力轉移至其他更具成本效益的替代方案，其中，GaN-on-GaN基板在近期頗受市場關注。目前美國新創公司Soraa是該基板技術主要的發展廠商，其已于今年2月正式宣布技術突破。

　　與GaN-on-Si基板相比，GaN-on-GaN基板不具熱膨脹系數不匹配（CTE Mismatch）及晶格不匹配（Lattice Mismatch）的問題，且因晶格缺陷密度極低，可讓LED晶片以極高的電流密度運作，并發射較藍寶石、碳化硅、硅等傳統基板方案十倍以上的單位面積亮度。

　　儘管如此，目前GaN-on-GaN基板價格仍偏高，約為藍寶石基板的十至十五倍，因此，其應用仍以利基市場為主，如需高亮度的車用照明市場。

　　譚昌琳指出，日前Soitec已針對GaN基板發表Smart Cut技術，并將該技術授權、技術轉移予Sumitomo Electric，此舉可望加速GaN基板價格下滑。

　　據了解，Soitec與Sumitomo Electric兩家公司先前已利用該技術成功試產4吋及6吋GaN基板，該制程技術讓高品質、極細的GaN層不斷重復由單一晶圓轉變為多重基板。結果顯示，在Smart Cut技術的助力下，GaN基板能展現高度效能并維持低成本，因此，Sumitomo Electric未來將持續投資Smart Cut技術，并利用該技術制造更大尺寸的GaN基板。

　　譚昌琳認為，未來藍寶石、碳化硅、GaN、硅等基板的材料、技術將不斷整合，而發光效率（lm/w）、光效下降（Droop）改善情形及制造成本，將是決定基板勢力版圖的重要因素。

　　無論未來哪一種基板技術成為LED市場主流，LED亮度及成本都將有進一步的突破，并為LED照明市場帶來好消息。