實現可量產大直徑晶圓矽基板氮化鎵LED

AZZURRO Semiconductors AG VP Sales & Marketing, Erwin Ysewijn

據DOE最新報告指出，不同功率之Packaged LED終端價格每年均以至少20%的速度持續下滑，而在組裝、驅動、機構？散熱、二次光學、LED封裝各部分的生產成本壓縮效益相對有限，必須從晶片、製程尋求更高效益的產製方式，來滿足未來對LED產品的價格要求，持續提升LED照明產品的市場競爭力...

根據美國能源部(DOE)最新研究資料顯示，過去幾年，LED市場終端價格一直在持續壓縮，觀察Packaged LED的價格趨勢，在相對價格趨勢方面，Packaged LED元器件幾乎以每年20%遞減的速度下修！即便在Low Power的Packaged LED產品下滑幅度緩和，但對於目前相對量大的Mid Power Packaged LED、Hi Power Packaged LED元件，則有20~40%的下修幅度。

對於LED固態光源照明應用，從系統產品到光源本身的元器件，甚至LED元件的封裝、晶片與源頭的晶圓製程，在因應市場的成本結構性變化，都必須進行大幅的調整，以因應持續壓縮的成本要求，尤其是材料段、製程段的成本結構改善幅度，會比組裝段與系統段可以再努力的空間要更大得多，加上矽晶片的製程改善方案，將可再將中？高功率LED晶片製作成本再壓低，才有機會達到更巨幅的成本壓縮效益，持續維持中？高功率LED元件的市場競爭實力。

全球LED產品成本與價格每年以20%幅度遞減

另從LED產品產業鏈檢視其生產成本，從組裝、驅動、機構？散熱、二次光學、LED封裝各部分的製作成本，均持續壓縮中，降低的速度相當快。因應此價格與成本的走向趨勢，這代表著LED產業面臨極大的成本壓縮挑戰，尤其在中、高功率的產品方面，更需儘可能壓縮成本，回應市場需求。

從此相對價格的走勢，可以推導幾個LED產業的主要挑戰，如優化晶圓製程、轉移到更大尺寸的晶圓製程、降低材料成本、使用直徑200mm矽晶圓廠量產方案、針對製程全面提升產量、產品儘可能採同質化方向以減少晶片分級衍生的額外生產成本...等方法，只要能解決上述問題，至少可使Packaged LED產品在製作源頭就能達到有效的成本控制，搭配後段各製作程序的生產優化，讓產品更具市場競爭力。

自DOE LED市場報告分析顯示，隨著原有生產LED製程的持續改善、更低成本的材料投入生產程序，同時又有更新製程奧援，這使得Packaged LED產品除每年達到2倍成長速度外、同時卻又呈現每2~3年即出現組裝成本、封裝成本近50%的壓縮。生產程序反而需在測試段、驗證段程序速度需跟上產量，同時測試驗證成本也必須有效降低，LED照明業者才能保有市場的領導地位。

善用GaN-on-Si技術優勢 積極強化LED產品成本結構

歸納提升產能、降低成本的相關方案，總歸可有四大努力重點，分別是更快的生產週期、改善半導體製程、強化產品自動化測試與分級、採行簡化的分級目標，讓產品可更快速地產製同時壓低生產成本。現行LED照明產業仍是以50mm(2吋)或100mm(4吋)之藍寶石基板為晶片產製基礎，若可善用更大直徑(面積)之矽基板氮化鎵(GaN-on-Si)技術，即可發揮既有的矽晶ECO System的製程技術與經濟規模效益，達到降低整體LED成本目標。

早期GaN-on-Si製程雖有多項優勢，但在加大產製面積時卻仍須克服晶圓表面平整、均勻度改善問題，隨著GaN-on-Si與新的專利技術挹注，LED光源產品若能導入200mm GaN-on-Si晶圓製程，在基板Substrate、Epitaxy、Device與成品System整個LED照明產品產業鏈所產生的成本壓縮效益是相當驚人的。

例如，LED基板可使用更大、成本更低的GaN-on-Si基板，這個部分，可從50mm至200mm不等，技術上可將單一晶圓可生產的LED晶片量產生數倍的提升效益，新舊製程最高可達到差距15倍的數量差異。Epitaxy可減少晶圓的growth times、同時達到更佳的平整度與提升均勻性，這部份則可達到40%的改善。

在Device方面，若在晶片段可以使用新的晶片產品，將可獲得更低的模組產製處理成本，其效益可達到兩倍。而在System終端產品方面，製造業者將可使用更低成本的Packaged LED，可直接減省系統組裝成本，此部份可因導入200mm GaN-on-Si晶圓製程，而獲得65%的成本降低效益。

AZZURRO GaN-on-Si專利技術 可協助廠商快速導入新製程

AZZURRO目前關注於高功率LED產品與一般功率LED產品兩大市場，目前在GaN-on-Si技術，已擁有完整的技術專利與生產經驗，目前在150mm、200mm尺寸GaN-on-Si已導入量產，AZZURRO在亞洲於台北亦設有中、韓、日多語言客戶支援。

在現在最熱門的GaN-on-Si技術方面，AZZURRO已經可為客戶滿足快速將原有製程移轉至GaN-on-Si製程，可協助客戶快速將原有產線升級至GaN-on-Si，生產低成本、高效益之LED產品。而原有客戶可繼續使用既有的LED設計方案，再利用新穎的GaN-on-Si技術擴充產能、增加產品量率，同時也達到更高的生產效能，甚至還可持續壓低產製成本，持續保有市場競爭能力。

即便GaN-on-Si具降低成本的顯著優勢，但因為GaN-on-Si在提出時技術難度較高，因此未能獲得大量採用，尤其是矽基板和GaN之材料熱膨脹係數差異，往往會在製造過程形成不規則曲度、甚至是薄膜厚度表現不一致問題，在晶圓進行後段加工容易產生碎裂，或讓終端產品出現電性表現差異問題，增加日後LED製造分選(binning)困擾。

在GaN-on-Si關鍵技術上，AZZURRO的專利製程技術，可以在加大產製面積的同時、維持與舊製程一致表現的晶圓表面平整度，而大直徑GaN-on-Si晶圓可使用在LED與功率半導體應用製造，這比較現有的藍寶石基板，可利用矽晶晶圓基礎，令產品達到更好的性價比。

加上GaN之導通電阻較低，亦可提供較現有設計方案相同面積之矽晶元件效率表現更高，而傳導性更佳、切換功率損失更低，製成終端產品使用時其運行過程所產生的熱能相對較低，還可因此達到簡化產品散熱設計的效益。

專注提升晶圓平整度、薄化穩定性 滿足用戶開發產品所需

另在產製晶圓均勻度方面，AZZURRO在此相關專利技術為在製造GaN-on-Si時，先於矽基板上長出GaN材料之緩衝層(buffer layer)，在利用產品所需的應用需求，於晶圓之緩衝層之上再進行GaN薄膜生成。AZZURRO具專利應力控制技術，透過緩衝層克服晶圓表面曲度和薄膜厚度不一問題，使其可控性增加，改善產品良率。

在LED光源應用方面，廠家可在AZZURRO矽基已處理緩衝層之晶圓上，再進行GaN薄膜生成，維持相同結構，生成的薄膜厚度極小、穩定性也相對較高，可簡化從藍寶石移植至矽基板傳統設計方案，同時亦可縮短週期時間，提升產能利用率。利用AZZURRO技術，可將LED晶片產製成本壓縮60%以上，晶圓的growth times可以達到減少40%耗時的效益，加上目前可量產尺寸已達150mm、200mm，對於降低LED成本有相當大的助益。

而在壓縮成本方面，因此用低價的矽基材，業者可以用更高效率的方式進行加工，同時製程已經全面優化，搭配改善產品的同質化、削減分級成本，也能讓LED成品獲得大幅度的成本降低效用。

基本上，GaN-on-Si解決方案，可以令LED的產製成本，在產量、生產效率與生產成本均可獲得大幅度的改善，同時因為基於矽基材的製程變更，原有設備僅需小幅調整即可轉換，加上現有製程已擁有大量矽基材相關製程設備與製造經驗，可以將GaN-on-Si的開發成果於原有設備、技術上再進行深度開發，對現有製程升級的業者來說，僅需追加GaN-on-Si的配套設備與技術，原有矽基材設備、製造技術與經驗得以沿續，自然可在設備投資方面以最小投資換取最大效益，實現以最低成本結構進行中/高亮度LED晶片、元件生產目的。