Ⅰ、LED藍(lán)寶石基板概念

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

　　藍(lán)寶石的組成為氧化鋁(A12O3)是由叁個(gè)氧塬子和兩個(gè)鋁塬子以共價(jià)鍵型式結(jié)合，晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu)，藍(lán)寶石的光學(xué)穿透帶很寬，從近紫外光(190nm)到中紅外線都有很好的透光性，并且具備高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、熔點(diǎn)高(20452度C)等特點(diǎn)，常作為光電元件材料。就超高亮度白/藍(lán)光LED品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質(zhì)，因此與所採(cǎi)用的藍(lán)寶石基板表面加工品質(zhì)有關(guān)，藍(lán)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(shù)失配率小，同時(shí)符合GaN磊晶製程耐高溫的要求，因此藍(lán)寶石基板成為製作白/藍(lán)/綠光LED的關(guān)鍵材料。

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

　　藍(lán)寶石長(zhǎng)晶技術(shù)尚未統(tǒng)一，關(guān)鍵技術(shù)多由美國(guó)、日本、俄羅斯廠商所掌握，其中美國(guó)、日本對(duì)長(zhǎng)晶技術(shù)有所保留，以至于其他國(guó)家難取得關(guān)鍵技術(shù)，因此臺(tái)灣廠商技術(shù)主要來自于俄羅斯。現(xiàn)以柴氏拉晶法(CZ)和凱氏長(zhǎng)晶法(KY)為主流技術(shù)，其中最成熟也最主流KY法，其鉆取率可達(dá)40-42%，就28公斤晶柱而言，長(zhǎng)晶所需花費(fèi)時(shí)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(shí)間不會(huì)高出太多，但有良率難控制的問題。

　　Ⅱ、藍(lán)寶石晶體常用生長(zhǎng)方法

　　1.柴氏拉晶法(簡(jiǎn)稱CZ法)：是將塬料加熱至熔點(diǎn)后熔化成熔湯，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并生長(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，晶種同時(shí)以緩慢的速度往上拉升，并以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，熔湯逐漸凝固于晶種液固界面上，形成一軸對(duì)稱的單晶晶錠。

圖：藍(lán)寶石長(zhǎng)晶法一覽

　　2.凱氏長(zhǎng)晶法(簡(jiǎn)稱KY法)：塬與CZ法類似，將塬料加熱至熔點(diǎn)后熔化成熔湯，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(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)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后，等熔湯與晶種界面的凝固速度穩(wěn)定后，晶種即不再拉升，也不做旋轉(zhuǎn)，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(gè)單晶晶錠。

　?、?、細(xì)分藍(lán)寶石基板

　　1.C-Plane藍(lán)寶石基板：為最普遍使用的，主要為藍(lán)寶石晶體沿C軸生長(zhǎng)的技術(shù)成熟、成本也較低、物化性能穩(wěn)定，所以C面進(jìn)行磊晶技術(shù)較成熟穩(wěn)定。

　　2.R-Plane或M-Plane藍(lán)寶石基板：主要用來生長(zhǎng)非極性/半極性面GaN外延薄膜，以提高發(fā)光效率。一般藍(lán)寶石基板製作外延膜是沿C軸生長(zhǎng)，C軸是GaN的極性軸，會(huì)使GaN有源層量子阱中出現(xiàn)很強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，導(dǎo)致發(fā)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(lán)寶石基板(簡(jiǎn)稱PSS)：以成長(zhǎng)或蝕刻方式在藍(lán)寶石基板上設(shè)計(jì)製作出奈米級(jí)特定規(guī)則的微結(jié)構(gòu)圖案藉以控制LED之輸出光形式，并可同時(shí)減少生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基板上的GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部質(zhì)量效率，增加光萃取率。

圖：藍(lán)寶石基板與硅基板

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　　藍(lán)光LED磊晶長(zhǎng)晶可採(cǎi)用藍(lán)寶石(Sapphire)與碳化硅(SiC)作為基板材質(zhì)，因?yàn)樘蓟杌鍐蝺r(jià)高，因此在氮化鎵系發(fā)光二極體的生產(chǎn)上，以藍(lán)寶石基板應(yīng)用較為普遍。藍(lán)寶石基板具有價(jià)格便宜、硬度高、耐高溫、耐化學(xué)侵蝕特性，但低導(dǎo)熱與導(dǎo)電特性，使LED效能不佳，不過因?yàn)榈凸β蔐ED產(chǎn)生熱有限，因此藍(lán)寶石基板在低功率市場(chǎng)具有優(yōu)勢(shì)。

　　因?yàn)樗{(lán)寶石基板本身并不導(dǎo)電，因此成長(zhǎng)于藍(lán)寶石基板上方的InGaN元件，必須將元件的電極利用製程技術(shù)製作在同側(cè)，而SiC基板可導(dǎo)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。

　　Ⅳ、其他相關(guān)

　　LED基板材料選擇，主要考量在于基板晶格係數(shù)及熱膨脹係數(shù)與基板上磊晶層材料的相似程度，只要基板晶格係數(shù)與磊晶層材料匹配程度愈高，則磊晶層所產(chǎn)生的缺陷則愈少。晶格常數(shù)匹配度較高的碳化硅基板，更適合GaN磊晶製作，而碳化硅基板除在晶格匹配度上較藍(lán)寶石基板為佳以外，因?yàn)樘蓟璞旧頌榘雽?dǎo)體材料，適合利用半導(dǎo)體製程技術(shù)進(jìn)行加工，因此利用半導(dǎo)體製程方式，在碳化硅基板進(jìn)行幾何形狀處理，以降低光線在晶粒中的內(nèi)全反射現(xiàn)象，使晶粒的取出效率可大幅提升。

　　LED供應(yīng)鏈最上游之藍(lán)寶石晶棒長(zhǎng)期掌握于外商，全球前3大產(chǎn)地：俄羅斯(龍頭廠商：Mono Crystal)、美國(guó)(龍頭廠商：Rubicon)、日本(龍頭廠商：京瓷)占全球近7成的產(chǎn)出。

圖：國(guó)內(nèi)新進(jìn)投資的LED襯底廠商一覽

　　藍(lán)寶石晶棒供應(yīng)商有美國(guó)的Rubicon、Honeywell、俄羅斯的Monocrystal、ATLAS、韓國(guó)STC 及臺(tái)灣合晶光電、越峰(臺(tái)聚轉(zhuǎn)投資)、尚志(大同轉(zhuǎn)投資)及鑫晶鉆(奇美、鴻海轉(zhuǎn)投資)提供晶棒，為藍(lán)寶石基板之上游塬料。

　　藍(lán)寶石基板的供應(yīng)方面有美國(guó)的Rubicon、Honeywell、Crystal Systems、Saint-Gobain、俄羅斯的Monocrystal、ATLAS Sapphire、日本的京都陶瓷(Kyocera)、Namiki、Mahk，及臺(tái)灣兆遠(yuǎn)、兆晶(奇美轉(zhuǎn)投資)、晶美、合晶及中美晶等公司。

圖：可見光LED材料與特性

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　　LED 具有壽命長(zhǎng)、消耗功率低，發(fā)光效率高等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用照明及LED TV背光越普遍。

　　白光LED的製造方法有多種，一、為藍(lán)光LED晶片上涂佈黃色螢光粉，二、在藍(lán)光LED晶片上涂佈綠色和紅色螢光粉，叁、利用紅、黃、綠叁基色LED晶片混合形成白光，四、在紫光或紫外光LED晶片上涂佈叁基色或多種顏色的螢光粉。

　　一般照明常用白光LED，是用波長(zhǎng)445 ~ 475 nm的高亮度藍(lán)光LED激發(fā) YAG黃色螢光粉，利用藍(lán)光與黃光是互補(bǔ)色光的塬理，混光成為高亮度白光，而製作出白光LED;另外還有利用波長(zhǎng)430 ~ 350 nm的紫外光，激發(fā)紅、綠、藍(lán)叁色螢光粉來產(chǎn)生白光 LED 的方法。2008年LED燈佔(zhàn)全球照明市場(chǎng)比例僅約2%左右，到2012年，全球LED照明市場(chǎng)規(guī)模佔(zhàn)全球市場(chǎng)將達(dá)4%-5%。

圖：LED芯片需求對(duì)應(yīng)的藍(lán)寶石基地需求量

　　LED取代CCFL為液晶顯示器背光源為趨勢(shì)，加上LED價(jià)格大幅滑落，以及背光源採(cǎi)用藍(lán)光+RG螢光粉做法，較過去使用RGB叁塬色混成白光的方式，成本大幅降低，帶動(dòng)LED TV成長(zhǎng)，根據(jù)Displaysearch分析，2009年LED在液晶電視市場(chǎng)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(lán)寶石缺貨漲價(jià)的塬因，是在于NB、TV、監(jiān)視器背光源的滲透率迅速拉升，而背光源幾乎都以藍(lán)光LED晶粒加螢光粉作為白光背光源，而造成藍(lán)光LED應(yīng)用需求上揚(yáng)。

　　2008年全球藍(lán)寶石基板用量2百萬片，至2009年10月單月用量就達(dá)150萬片。

　　全球藍(lán)寶石基板尺寸以2吋比重最高，臺(tái)灣廠商也都以此為主，而日商則大多是3吋，韓商則有相當(dāng)比例為4吋，由于2010年第四季有相當(dāng)比例的4吋MOCVD機(jī)臺(tái)要交貨，將會(huì)造成4吋基板缺貨。

圖：藍(lán)寶石襯底LED芯片成本構(gòu)成

　　4吋MOCVD長(zhǎng)晶過程中有易捲曲導(dǎo)致破片率高的問題，但已經(jīng)逐漸克服，預(yù)期2010年將出現(xiàn)4吋產(chǎn)品比重增加的現(xiàn)象。

　　拓墣統(tǒng)計(jì)，2010年LED TV市場(chǎng)滲透率達(dá)20.3%，至2014年滲透率可望達(dá)100%，且LED背光LCD TV的出貨量于2014年增至2.6億臺(tái)。若以1臺(tái)LED背光LCD TV需要300-500顆LED推算，到2014年時(shí)，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臺(tái)MOCVD機(jī)臺(tái)足以支應(yīng)。2010年全球新增MOCVD機(jī)臺(tái)數(shù)達(dá)720臺(tái)，較2009年增加232%，而2010年全球新增的MOCVD機(jī)臺(tái)數(shù)，將吃下全球近70%以上的LED背光TV需求，其中以韓國(guó)、臺(tái)灣及中國(guó)新增機(jī)臺(tái)最多，分別占新增總數(shù)的36%、32%及26%。

　　臺(tái)灣前5大LED晶粒廠中，泛晶電集團(tuán)藉由整合來擴(kuò)大產(chǎn)能，2010年泛晶電集團(tuán)的MOCVD機(jī)臺(tái)數(shù)達(dá)291臺(tái)，居領(lǐng)先地位，晶電2011年全球新增機(jī)臺(tái)將再持續(xù)增加，可望帶動(dòng)上游藍(lán)寶石基板、晶棒等材料供需吃緊。韓國(guó)叁星，臺(tái)灣LED大廠晶電、璨圓、廣鎵、泰谷等，及大陸LED廠均有擴(kuò)產(chǎn)計(jì)畫。陸廠還包括廈門叁安、上海藍(lán)寶、徽士蘭、晶能、比亞迪、德豪潤(rùn)達(dá)等。根據(jù)研究機(jī)構(gòu)估計(jì)，大陸2009年將購(gòu)置超過200臺(tái)MOCVD機(jī)臺(tái)，總機(jī)臺(tái)數(shù)比2008年成長(zhǎng)1.5倍，新機(jī)臺(tái)預(yù)計(jì)將在2010年底至2011年陸續(xù)投產(chǎn)。

　　2009年全球LED藍(lán)寶石基板產(chǎn)值為1.5億美元，預(yù)估2013年產(chǎn)值可達(dá)3.92億美元，2005到2013年的年復(fù)合成長(zhǎng)率為19%，亞洲為藍(lán)寶石基板的主要使用地區(qū)，又以臺(tái)灣為最大需求占比重達(dá)46%，韓國(guó)占28%、日本占17%。

　　2010年第1季，藍(lán)寶石基板佔(zhàn)磊晶廠成本比重約10%，第2季成長(zhǎng)到14%，Q3大幅上漲，使得藍(lán)寶石基板佔(zhàn)成本比率上調(diào)到15%~20%，4Q價(jià)格續(xù)調(diào)漲，成本比重約20%~30%。

　　臺(tái)灣LED市場(chǎng)規(guī)模，以2吋藍(lán)寶石基板規(guī)格推估，2010年藍(lán)寶石基板用量約在9百萬片至1仟萬片。預(yù)估2011年全球?qū)⒂?400多臺(tái)MOCVD，對(duì)藍(lán)寶石晶棒需求量約2300～2400萬毫米需求量。