改進(jìn)的硅襯底發(fā)光二極管地址高固態(tài)照明成本

 電子照明技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)于今天的高亮度LED的主流技術(shù)是氮化鎵(GaN)在藍(lán)寶石或碳化硅(SiC)襯底。這些材料很受歡迎，因?yàn)樗a(chǎn)生的LED燈是光明的，高效的，并且持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。然而，這些芯片是很難制造和包裝成可用設(shè)備，乘以使用它們作為光引擎的最終產(chǎn)品的成本。盡管價(jià)格暴跌近幾年，LED照明仍是相當(dāng)購(gòu)買比傳統(tǒng)的替代更為昂貴。這個(gè)初始費(fèi)用被認(rèn)為是一個(gè)主要因素放緩的固態(tài)照明(SSL)的驗(yàn)收。

制造商是一家具有開創(chuàng)集團(tuán)一直努力通過與硅(Si)取代藍(lán)寶石或SiC襯底，以降低高功率LED的成本，材料通常用來(lái)制造大多數(shù)電子芯片(“芯片”)。最關(guān)鍵的好處是非常低價(jià)供應(yīng)晶片，并利用貶值8英寸晶圓廠的LED制造機(jī)會(huì)。合并后，這些概念能夠極大地降低了LED的價(jià)格，克服消費(fèi)者的反對(duì)。

最初，技術(shù)挑戰(zhàn)限于上GaN硅LED的性能，這使得它們沒有吸引力為主流照明?，F(xiàn)在，一些廠商，特別是東芝已經(jīng)推出了新一代這些LED具有大大提高性能，在極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格，使之成為一個(gè)可行的替代常規(guī)的設(shè)備在許多應(yīng)用中。

本文回顧硅襯底LED的開發(fā)和描述的最新一代的商業(yè)設(shè)備。

倒推LED的成本

雖然它采取了許多年，數(shù)百萬(wàn)美元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，現(xiàn)代LED是一種具有成本效益的替代傳統(tǒng)光源，如白熾燈泡，熒光燈管，和鹵素?zé)魹橹髁髡彰鲿r(shí)因素，如最初的購(gòu)買價(jià)格，能源消耗，和壽命的考慮，確定“擁有成本。”

最近的一項(xiàng)報(bào)告1分析師麥肯錫公司的結(jié)論是，到2016年(這取決于如何快速的LED價(jià)格繼續(xù)下跌)，一個(gè)LED燈具的回報(bào)(由于較低的運(yùn)行成本和更長(zhǎng)的使用壽命)，將抵消較高的初始購(gòu)買價(jià)格相比， 1.7和3.9歲之間的緊湊型熒光燈(CFL)。在2011年相應(yīng)的計(jì)算產(chǎn)生了約14年的數(shù)字。

不幸的是，在同一份報(bào)告中得出的結(jié)論是，盡管在照明應(yīng)用攀登LED的市場(chǎng)份額為45%左右，到2015年，“LED照明產(chǎn)品的價(jià)格溢價(jià)仍然很高，最初的購(gòu)買價(jià)格較顯著障礙決策者決策時(shí)考慮到普通照明應(yīng)用的初期投資“。

考慮到LED燈替代，如飛利浦的100 W(白熾燈)，相當(dāng)于PAR38 LED燈泡零售價(jià)為$ 22 $ 12的同一家公司的100瓦相當(dāng)于T2扭腰CFL和一個(gè)100 W當(dāng)量的EcoSmart $ 6時(shí)相比，這沉默也許并不奇怪鹵素?zé)襞荨?/p>

LED燈泡的成本的一個(gè)關(guān)鍵因素是LED芯片本身。每個(gè)LED燈泡通常包括的六個(gè)，八個(gè)，或十個(gè)LED芯片，其每一個(gè)從特殊材料制造的一個(gè)復(fù)雜的晶片制造過程，然后昂貴包裝在三或四步裝配操作的陣列。用更便宜的替代品代替無(wú)論是材料和制造成本將大大降低LED的初始購(gòu)買價(jià)格，鼓勵(lì)更多的快速普及。

硅的替代

在電子革命是建立在硅;一個(gè)穩(wěn)定的，廉價(jià)的，豐富的半導(dǎo)體，很容易長(zhǎng)成的晶體，片成片，并受到CMOS工藝把每片晶圓到成千上萬(wàn)的IC。此外，巨大的投資已經(jīng)取得了代工廠大批量生產(chǎn)這種芯片，壓低單位成本僅僅美分。

最近，芯片制造商已移動(dòng)到使用12英寸(300毫米)的晶片為原料的更有效的晶片制造工藝，替換舊8英寸(200毫米)的切片。其結(jié)果是，存在過量的世界各地的8英寸容量其中一些建議可轉(zhuǎn)向LED制造，大幅降低了最終產(chǎn)品的價(jià)格。

大多數(shù)當(dāng)代LED被從GaN的組合，其特點(diǎn)適于發(fā)射在光譜的可見部分的光子，在藍(lán)寶石襯底上的帶隙構(gòu)成。的GaN薄膜通過稱為外延的方法，其中建立了LED的有源區(qū)由在襯底上連續(xù)層沉積生長(zhǎng)。一個(gè)缺點(diǎn)是在GaN的晶格間距(在晶體結(jié)構(gòu)中的單個(gè)原子之間的單位距離)，并在藍(lán)寶石基板這導(dǎo)致在活性區(qū)微觀缺陷之間的不匹配。這些缺陷，也被稱為穿透位錯(cuò)，危及兩個(gè)LED的亮度和壽命。

碳化硅具有被更緊密匹配的GaN比藍(lán)寶石，減少了缺陷密度，并且由幅度中的至少一個(gè)，有時(shí)兩個(gè)數(shù)量改善功效和長(zhǎng)壽的晶體結(jié)構(gòu)。

藍(lán)寶石和碳化硅不僅生產(chǎn)成本高，但也難以可靠地制造在晶片上大于4英寸(100毫米)的直徑。除了是更便宜和更容易使用，8英寸硅片只需要稍長(zhǎng)處理比晶片尺寸為4英寸。最終的結(jié)果是，工廠可以生產(chǎn)四倍

而，切換到硅作為襯底用于LED提出嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。其中最主要的是，硅的晶體結(jié)構(gòu)是一個(gè)更糟糕的失配的GaN比藍(lán)寶石。更糟糕的是，硅具有熱膨脹的GaN一個(gè)非常不同的系數(shù)。這兩個(gè)因素導(dǎo)致被并入到導(dǎo)致微裂紋當(dāng)晶片冷卻制造期間晶片嚴(yán)重的拉伸應(yīng)力。破解LED功能不佳，如果在所有。更糟糕的是，硅是應(yīng)該逸出并有助于LED的亮度的光子的一個(gè)很好的吸收器。這樣一來(lái)，從早期的氮化鎵上硅LED的光提取是一個(gè)季度中，從建立在藍(lán)寶石同類器件三分之一。

一些創(chuàng)業(yè)公司都堅(jiān)持他們的發(fā)展計(jì)劃，并同時(shí)氮化鎵上硅發(fā)光二極管仍然落后的氮化鎵上的藍(lán)寶石或碳化硅LED的亮度，效果好，使用壽命長(zhǎng)，對(duì)今天的實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備不從早期設(shè)備的性能差遭受并且可以在常規(guī)LED的成本的一小部分進(jìn)行。

第二代硅

如常規(guī)LED已經(jīng)穩(wěn)步提高(同時(shí)減少了所需的單一白熾燈或熒光燈泡的輸出相匹配的LED的數(shù)目)一個(gè)新的市場(chǎng)開辟了“中檔”的LED。中檔芯片不能滿足當(dāng)今高端設(shè)備的性能，而是提供了合理的性能(例如，提供亮度和壽命相當(dāng)于兩三年的最高規(guī)格的芯片前)在預(yù)算價(jià)格。

中檔市場(chǎng)的發(fā)展開辟了氮化鎵上硅芯片的機(jī)會(huì)。今天的硅襯底LED的性能可以輕松匹配的中檔氮化鎵上的藍(lán)寶石或碳化硅，而削弱了后者的價(jià)格。

東芝(最初曾與普瑞的合資企業(yè)，但后來(lái)又買了在合資企業(yè)合作伙伴的股份)在氮化鎵上硅LED的供應(yīng)商領(lǐng)先者之一。

東芝是可以理解靦腆它如何解決了GaN和硅之間的晶格和熱 - 不匹配的技術(shù)難題，并取得了一些公開聲明，但被收購(gòu)之前，普瑞也表明，“拉伸應(yīng)變的問題是使用專有的解決緩沖層(GaN和硅之間)“。

關(guān)于東芝的研究更多相關(guān)信息，科學(xué)論文可用。發(fā)表于2006年2月的一個(gè)例題介紹如何東芝公司研究人員抑制裂紋產(chǎn)生，通常困擾氮化鎵外延硅采用“立方碳化硅”作為中間層。立方SiC的大約GaN和硅之間的中途的晶格常數(shù)，幫助減輕，否則將積聚并導(dǎo)致氮化鎵和硅中的鄰接層之間開裂的應(yīng)力。

研究人員報(bào)告說，碳化硅上的傳統(tǒng)的8英寸硅晶片的頂部上的1微米的層是足以抑制在活性GaN層開裂。雖然略高于沉積氮化鎵到“裸”芯片更貴，這個(gè)過程還是比制造藍(lán)寶石或SiC晶圓，因?yàn)樗匀皇墙⒃诹畠r(jià)的硅制造工藝成本要低得多。

東芝公司還聲稱，其氮化鎵上硅工藝適合于生產(chǎn)大“體積發(fā)射”單LED芯片直接從晶圓，而無(wú)需經(jīng)過傳統(tǒng)LED的組裝過程(圖3)。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是更高的成本節(jié)約和單一的LED可能日益流行上芯片板(COB)陣列競(jìng)爭(zhēng) - 產(chǎn)品，包括多個(gè)傳統(tǒng)LED預(yù)先組裝成一個(gè)單一的單元。

現(xiàn)有產(chǎn)品

東芝首次推出了一系列的氮化鎵上硅產(chǎn)品在2012年底的TL1F1 1瓦LED提供112流明(112流明/瓦的功效，在2.9伏的電壓和350 mA的電流)為冷白色( 5000 K)的裝置。

十個(gè)月后，該公司公布了修訂后的范圍(TL1L3家庭) - 最新的商用產(chǎn)品開始批量供貨 - 它提供了135流明(135流明/瓦，2.85 V，350毫安)。然后，在2015年年初，公司發(fā)布了TL1L4家庭，它聲稱代表從上一代的氮化鎵上硅器件60%的性能跳躍的樣品體積。頂部的范圍是1瓦，冷白光(5000 K，顯色指數(shù)(CRI)70)的產(chǎn)品，提供160流明(160流明/瓦，2.8V，350 mA)的。

該TL1L4家族的性能與高端的常規(guī)產(chǎn)品相提并論量產(chǎn)，如Cree公司的XLamp XM-L2(155流明/瓦，2.85 V，700 mA)的和歐司朗的OSLON廣場(chǎng)(163流明/瓦，3.05 V，700嘛)。東芝的產(chǎn)品實(shí)際上是提供比價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的中檔設(shè)備，如Cree公司的XLamp MX-3S(85流明/ W，10.7 V，115毫安)和Philips Lumileds的LUXEON 3535L(121流明/瓦，3.05 V，百毫安更好的性能)。

更大的亮度(在降低功效的成本)的TL1L4產(chǎn)品可以與1 A的正向電流操作或甚至1.5甲只要芯片的結(jié)溫保持在低于150℃。東芝公司解釋說，TL1L4系列的性能水平使得它適合主流照明應(yīng)用，如國(guó)內(nèi)筒燈，路燈，泛光燈和。

補(bǔ)充技術(shù)

目前，照明消耗了世界能源的19%左右。據(jù)估計(jì)，大規(guī)模采用LED燈將削減通過，因?yàn)樗麄兏叩枚嗟墓π姆种?。雖然價(jià)格自然會(huì)繼續(xù)下跌，高性能的可用性而相對(duì)低成本的氮化鎵上硅像東芝承諾指示燈來(lái)加速這一進(jìn)程，使燈光師提供了克服高初始消費(fèi)者的反對(duì)SSL解決方案收購(gòu)價(jià)。

這種替代技術(shù)將是不可能永遠(yuǎn)超越當(dāng)代高端設(shè)備;但它確實(shí)提供了一個(gè)補(bǔ)充現(xiàn)有的技術(shù) - 專利問題放在一邊 - 可以被拾起其他公司產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，推動(dòng)價(jià)格仍然較低，并增加了照明市場(chǎng)的SSL的份額。