藍寶石雖然目前仍然穩(wěn)坐襯底材料龍頭，但隨著LED產業(yè)的不斷發(fā)展，基于藍寶石襯底的技術發(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比更高的解決方案，而硅襯底則被業(yè)界寄予了厚望。

       從目前襯底材料的使用來看，世界上絕大多數的芯片制造商都采用藍寶石襯底。而近幾年越來越多的大廠開始發(fā)力硅襯底大功率LED芯片技術，種種市場跡象表明，硅襯底或成為LED領域技術的聚焦點。
       “我們認為，到2017年硅基氮化鎵或許將成為市場主流。其他公司也會將使用硅基氮化鎵(GaN-on-Si)技術的產品投入市場。”東芝白光LED市場及技術部高級經理高橋望對硅襯底充滿了希冀，他告訴《高工LED》記者之前東芝也使用過各種不同的材料來開發(fā)藍光LED。最終確定以功率半導體器件的8英寸晶圓技術為基礎，聚集了諸多研發(fā)人員，進行大規(guī)模硅襯底的研發(fā)工作。

       談及于此，高橋望介紹，相較于藍寶石，硅的導熱系數高，散熱方面更容易設計。8英寸的晶圓(非硅)案例篇成本非常高，使用8英寸晶圓進行量產LED的時候，還有很多生產上的困難。“對于碳化硅(SiC)基底和藍寶石(Sapphire)基底，我們認為他們的最大尺寸為6英寸。”他說：“東芝的硅基氮化鎵技術具有的成本優(yōu)勢不僅體現在材料上，還體現在使用8英寸晶圓的工藝上。并且我們能夠利用之前生產其他8英寸硅晶圓產品的設備來進行生產。因此，我們具有這樣的優(yōu)勢：量產控制方法的改進和高質量的結晶產品。”

       硅襯底和其他兩種襯底，碳化硅和藍寶石相比，最大的技術難點是晶格失配和熱失配。“在硅基板上生長GaN層比較困難，難以得到較好的結晶，因此實現量產還是一個挑戰(zhàn)。但東芝領先于其他公司，確立了硅基氮化鎵技術，使用硅基底實現了量產。” 高橋望笑著說。

       具體而言，硅和氮化鎵的晶格失配最大，是碳化硅的幾倍。大的晶格失配會導致氮化鎵材料中出現較高的位錯密度，也正是這個原因使得人們在很長一段時間內認為硅襯底是一條走不通的技術路線。同時，硅襯底和氮化鎵之間有很大的熱失配，這個問題導致在高溫生長時兩者達到一定的匹配，可是降到室溫后，由于兩者的熱膨脹系數差異很大，會導致龜裂等問題的產生。

       高橋望表示，氮化鎵生長在硅基底上的條件要比氮化鎵生長在藍寶石上的條件困難的多。但即便如此，東芝使用硅基氮化鎵(GaN-on-Si)的產品效率已經達到了170~180lm/W，因此，他相信不久的將來，硅基產品可以替代藍寶石基底產品。

       據悉， 目前東芝主要生產的L E D 芯片尺寸為：1.1x1.1mm和1.4x1.4mm。芯片尺寸取決于所加功率， 大于1.1x1.1mm和1.4x1.4mm的L E D 芯片適用于1~3W類型的產品，這一點與藍寶石芯片的大小基本相同?，F在的輸出功率在700mW左右(硅樹脂封裝條件下)。

       從生產工藝來看，硅襯底大尺寸可借用人類經過多年技術積累發(fā)展出來的硅集成電路生產工藝來制作LED，從而大幅度提高自動化程度，同時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LED產業(yè)來說是一個革命性的顛覆。

       此外，硅襯底上氮化鎵功率器件也是很重要的一個應用領域，有望超越傳統(tǒng)的功率器件開拓出一個新的應用領域。以氮化鎵為代表的第三代半導體一個主要特點就是寬帶隙。這個特點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，因此在大功率、高溫電力電子器件應用方面性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)的硅和砷化鎵基電子器件。其應用范圍將涵括電腦，手機，數碼相機，電源，電機，UPS，電動汽車，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。

       從產業(yè)格局來看，目前全球LED產業(yè)格局成美國、亞洲、歐洲三足鼎立之勢，美國的CREE、歐洲的歐司朗、飛利浦(Philips Lumileds)、日本的日亞化學、豐田合成等五大廠商，掌控了全球LED市場，壟斷了G aN基藍光LE D、白光LE D的核心技術和專利。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、設備、封裝、應用在內的整個產業(yè)鏈。

       廠商間通過專利授權和交叉授權來進行研發(fā)和生產，不僅阻礙了新進入者的產生，也在一定程度上增加了企業(yè)的生產成本。因此，開發(fā)并建立一套具有自主知識產權的專利體系，不但可成為企業(yè)發(fā)展的基礎，也可以為企業(yè)未來的發(fā)展做好準備。就這個層面而言，硅襯底的研發(fā)，已不僅僅是單純的技術研發(fā)了，更是為LED企業(yè)的未來發(fā)展鋪路。

       硅襯底LED技術從襯底源頭上避開了藍寶石襯底和碳化硅襯底技術路線所形成的國際專利圍剿，可從小功率LED芯片技術到高難度的大功率LED芯片技術，形成自有的專利體系。“硅基氮化鎵技術是一項相當新的技術，因此，在這樣新的技術環(huán)境中，我們能更更快地發(fā)現新技術。東芝將努力獲得更多新的專利。” 高橋望如是說。