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LED藍寶石基板

30 六月

LED藍寶石基板

LED供應鏈最上游之藍寶石晶棒長期掌握於外商,全球前3大產地:俄羅斯(龍頭廠商:Mono Crystal)、美國(龍頭廠商:Rubicon)、日本(龍頭廠商:京瓷)佔全球近7成的產出。

藍寶石晶棒供應商有美國的Rubicon、Honeywell、俄羅斯的Monocrystal、ATLAS、韓國STC 及國內合晶光電、越峰(台聚轉投資)、尚志(大同轉投資)及鑫晶鑽(奇美、鴻海轉投資)提供晶棒,為藍寶石基板之上游原料。

藍寶石基板的供應方面有美國的Rubicon、Honeywell、Crystal Systems、Saint-Gobain、俄羅斯的Monocrystal、ATLAS Sapphire、日本的京都陶瓷Kyocera)、Namiki、Mahk,及國內兆遠兆晶(奇美轉投資)、晶美合晶中美晶等公司。

可見光LED材料與特性

LED 具有壽命長、消耗功率低,發光效率高等優勢,應用照明LED TV背光越普遍。

白光LED的製造方法有多種,一、為藍光LED晶片上塗佈黃色螢光粉,二、在藍光LED晶片上塗佈綠色和紅色螢光粉,三、利用紅、黃、綠三基色LED晶片混合形成白光,四、在紫光或紫外光LED晶片上塗佈三基色或多種顏色的螢光粉。

一般照明常用白光LED,是用波長445 ~ 475 nm的高亮度藍光LED激發 YAG黃色螢光粉,利用藍光與黃光是互補色光的原理,混光成為高亮度白光,而製作出白光LED;另外還有利用波長430 ~ 350 nm的紫外光,激發紅、綠、藍三色螢光粉來產生白光 LED 的方法。2008年LED燈佔全球照明市場比例僅約2%左右,到2012年,全球LED照明市場規模佔全球市場將達4%-5%。

LED取代CCFL液晶顯示器背光源為趨勢,加上LED價格大幅滑落,以及背光源採用藍光+RG螢光粉做法,較過去使用RGB三原色混成白光的方式,成本大幅降低,帶動LED TV成長,根據Displaysearch分析,2009年LED液晶電視市場滲透率約3%,至2010年滲透率超過10%,未來滲透率將逐年攀升。

2010年造成藍寶石缺貨漲價的原因,是在於NB、TV、監視器背光源的滲透率迅速拉升,而背光源幾乎都以藍光LED晶粒加螢光粉作為白光背光源,而造成藍光LED應用需求上揚。

2008年全球藍寶石基板用量2百萬片,至2009年10月單月用量就達150萬片,成長速度驚人。

全球藍寶石基板尺寸以2吋比重最高,台灣廠商也都以此為主,而日商則大多是3吋,韓商則有相當比例為4吋,由於2010年第四季有相當比例的4吋MOCVD機台要交貨,將會造成4吋基板缺貨。

4吋MOCVD長晶過程中有易捲曲導致破片率高的問題,但已經逐漸克服,預期2010年將出現4吋產品比重增加的現象。

拓墣表示,2010年LED TV市場滲透率達20.3%,至2014年滲透率可望達100%,且LED背光LCD TV的出貨量於2014年增至2.6億台。若以1台LED背光LCD TV需要300-500顆LED推算,到2014年時,全球TV背光源就約需要使用780億顆-1300億顆LED,亦即需要710-1180台MOCVD機台足以支應。2010年全球新增MOCVD機台數達720台,較2009年增加232%,而2010年全球新增的MOCVD機台數,將吃下全球近70%以上的LED背光TV需求,其中以韓國、台灣及中國新增機台最多,分別占新增總數的36%、32%及26%。

台灣前5大LED晶粒廠中,泛晶電集團藉由整合來擴大產能,2010年泛晶電集團的MOCVD機台數達291台,居領先地位,晶電2011年全球新增機台將再持續增加,可望帶動上游藍寶石基板、晶棒等材料供需吃緊。韓國三星,台灣LED大廠晶電璨圓廣鎵泰谷等,及大陸LED廠均有擴產計畫。陸廠還包括廈門三安、上海藍寶、徽士蘭、晶能、比亞迪德豪潤達等。根據研究機構估計,大陸2009年將購置超過200台MOCVD機台,總機台數比2008年成長1.5倍,新機台預計將在2010年底至2011年陸續投產。

2009年全球LED藍寶石基板產值為1.5億美元,預估2013年產值可達3.92億美元,2005到2013年的年複合成長率為19%,亞洲為藍寶石基板的主要使用地區,又以台灣為最大需求占比重達46%,韓國占28%、日本占17%。

2010年第1季,藍寶石基板磊晶廠成本比重約10%,第2季成長到14%,Q3大幅上漲,使得藍寶石基板佔成本比率上調到15%~20%,4Q價格續調漲,成本比重約20%~30%。

台灣LED市場規模,以2吋藍寶石基板規格推估,2010年藍寶石基板用量約在9百萬片至1仟萬片。預估2011年全球將有1400多台MOCVD,對藍寶石晶棒需求量約2300~2400萬毫米需求量。

藍寶石(Al2O3,英文名為Sapphire)為製成氮化鎵(GaN)磊晶發光層的主要基板材質,GaN可用來製作超高亮度藍光、綠光、藍綠光、白光LED。1993年日亞化(Nichia)開發出以氮化鎵(GaN)為材質的藍光LED,配合MOVPE(有機金屬氣相磊晶法)的磊晶技術,可製造出高亮度的藍光LED

藍寶石的組成為氧化(A12O3)是由三個氧原子和兩個原子以共價鍵型式結合,晶體結構為六方晶格結構,藍寶石的光學穿透帶很寬,從近紫外光(190nm)到中紅外線都有很好的透光性,並且具備高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、熔點高(20452度C)等特點,常作為光電元件材料。就超高亮度白/藍光LED品質取決於氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質,因此與所採用的藍寶石基板表面加工品質有關,藍寶石(單晶A12O3)C面與III-V和II-VI族沈積薄膜之間的晶格常數失配率小,同時符合GaN磊晶製程耐高溫的要求,因此藍寶石基板成為製作白/藍/綠光LED的關鍵材料。

藍光LED晶粒的長晶材料的藍寶石基板是由藍寶石晶棒切割而成,藍寶石晶棒是將氧化(Al2O3)的單晶作為長晶的基礎,採拉晶法培育生長,培育方法因各家廠商參數不同而有不同純度。

藍寶石長晶技術尚未統一,關鍵技術多由美國、日本、俄羅斯廠商所掌握,其中美國、日本對長晶技術有所保留,以至於其他國家難取得關鍵技術,因此台灣廠商技術主要來自於俄羅斯。目前以柴氏拉晶法(CZ)和凱氏長晶法(KY)為主流技術,其中最成熟也最主流KY法,其鑽取率可達40-42%,就28公斤晶柱而言,長晶所需花費時間約10天,而65公斤的則需要12-14天,大公斤的晶柱所需花的時間不會高出太多,但有良率難控制的問題。

國家

藍寶石長晶技

美國

Rubicon採ES2技術。

Crystal Systems採熱交換器長晶法(HEM)。(Crystal Systems已被GT Solar被購)。

日本

柴氏拉晶法(CZ)、導模法(EFG)。

俄羅斯

凱氏長晶法(KY)。

藍寶石晶體常用生長方法:

1.柴氏拉晶法(簡稱CZ法):是將原料加熱至熔點後熔化成熔湯,再利用單晶晶體接觸熔湯表面,在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差異而形成過冷,因此熔湯開始在晶種表面凝固並生長和晶種相同晶體結構的單晶,晶種同時以緩慢的速度往上拉升,並以一定的轉速旋轉,熔湯逐漸凝固於晶種液固界面上,形成一軸對稱的單晶晶錠。

2.凱氏長晶法(簡稱KY法):原與CZ法類似,將原料加熱至熔點後熔化成熔湯,再以單晶之晶種接觸到熔湯表面,在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結構的單晶,晶種以緩慢的速度往上拉升,但在晶種往上拉形成晶頸後,等熔湯與晶種界面的凝固速度穩定後,晶種即不再拉升,也不做旋轉,僅控制冷卻速度使單晶從上方逐漸往下凝固,凝固為一整個單晶晶錠。

細分藍寶石基板

1.C-Plane藍寶石基板:為最普遍使用的,主要為藍寶石晶體沿C軸生長的技術成熟、成本也較低、物化性能穩定,所以C面進行磊晶技術較成熟穩定。

2.R-Plane或M-Plane藍寶石基板:主要用來生長非極性/半極性面GaN外延薄膜,以提高發光效率。一般藍寶石基板製作外延膜是沿C軸生長,C軸是GaN的極性軸,會使GaN有源層量子阱中出現很強的內建電場,導致發光效率降低,非極性面GaN外延薄膜,可以克服這問題。

3.圖案化藍寶石基板(簡稱PSS):以成長或蝕刻方式在藍寶石基板上設計製作出奈米級特定規則的微結構圖案藉以控制LED之輸出光形式,並可同時減少生長在藍寶石基板上的GaN之間的差排缺陷,改善磊晶質量,並提升LED內部質量效率,增加光萃取率。

藍光LED磊晶長晶可採用藍寶石(Sapphire)與碳化矽(SiC)作為基板材質,因為碳化矽基板單價高,因此在氮化鎵系發光二極體的生產上,以藍寶石基板應用較為普遍。藍寶石基板具有價格便宜、硬度高、耐高溫、耐化學侵蝕特性,但低導熱與導電特性,使LED效能不佳,不過因為低功率LED產生熱有限,因此藍寶石基板在低功率市場具有優勢。

因為藍寶石基板本身並不導電,因此成長於藍寶石基板上方的InGaN元件,必須將元件的電極利用製程技術製作在同側,而SiC基板可導電,因此LED的電極可做在二邊,晶粒的尺寸可縮小,因此可降低晶粒成本,封裝製作也比較容易。

LED基板材料選擇,主要考量在於基板晶格係數及熱膨脹係數與基板磊晶層材料的相似程度,只要基板晶格係數與磊晶層材料匹配程度愈高,則磊晶層所產生的缺陷則愈少。晶格常數匹配度較高的碳化矽基板,更適合GaN磊晶製作,而碳化矽基板除在晶格匹配度上較藍寶石基板為佳以外,因為碳化矽本身為半導體材料,適合利用半導體製程技術進行加工,因此利用半導體製程方式,在碳化矽基板進行幾何形狀處理,以降低光線在晶粒中的內全反射現象,使晶粒的取出效率可大幅提升。

 
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Posted by 於 2011/06/30 in 產業資訊

 

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