綠色LED取得突破，利用Si基板大幅削減成本
[導(dǎo)讀]多色LED達(dá)到400lm/W科銳公司的技術(shù)還存在“謎團(tuán)”。該公司2014年3月發(fā)布了發(fā)光效率為303lm/W的白色LED，這個(gè)效率超過了以往的白色LED技術(shù)的發(fā)光效率理論極限。對(duì)此很多觀點(diǎn)認(rèn)為，“應(yīng)該是采用了與藍(lán)色LED和黃色熒光材
多色LED達(dá)到400lm/W
科銳公司的技術(shù)還存在“謎團(tuán)”。該公司2014年3月發(fā)布了發(fā)光效率為303lm/W的白色LED，這個(gè)效率超過了以往的白色LED技術(shù)的發(fā)光效率理論極限。對(duì)此很多觀點(diǎn)認(rèn)為，“應(yīng)該是采用了與藍(lán)色LED和黃色熒光材料的組合不同的技術(shù)”（某LED技術(shù)人員）。
實(shí)際上，如果采用構(gòu)造與以往的白色LED不同的技術(shù)，發(fā)光效率的理論極限要高得多。若不使用熒光材料，而是組合以紅色（R）、綠色（G）和藍(lán)色（B）分別發(fā)光的LED來形成白色光，還有望實(shí)現(xiàn)409lm/W的超高發(fā)光效率。
綠色LED發(fā)光效率低
利用多色LED形成白色光的想法以前就有。但輸給了日亞化學(xué)工業(yè)的技術(shù)。主要有兩點(diǎn)原因。第一，多色方式要想維持白色，需要根據(jù)各色LED發(fā)光狀態(tài)的時(shí)間變化來控制各LED的驅(qū)動(dòng)電流。
第二，與紅色和藍(lán)色LED相比，綠色LED的發(fā)光效率太低。綠色LED是在GaN中添加銦（In），增加發(fā)光波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的。但生長(zhǎng)晶體時(shí)非常難控制In的組成比，無法制作高品質(zhì)晶體。
調(diào)色功能成為L(zhǎng)ED照明的軸心
不過，最近出現(xiàn)了重新挑戰(zhàn)這種多色LED方式的企業(yè)，這就是荷蘭皇家飛利浦。該公司采用多色LED方式，于2013年4月開發(fā)出了發(fā)光效率為200lm/W的直管型LED燈“TLED”。針對(duì)存在課題的綠色發(fā)光改進(jìn)了方法，確保了所需的發(fā)光效率。這是通過組合藍(lán)色LED與自主開發(fā)的高效率綠色熒光材料實(shí)現(xiàn)的。
另外，飛利浦還導(dǎo)入了根據(jù)各色LED發(fā)光狀態(tài)的時(shí)間變化來控制各LED驅(qū)動(dòng)電流的機(jī)制，從而能一直保持白色狀態(tài)。利用該機(jī)制，還實(shí)現(xiàn)了可選擇不同顏色的調(diào)色功能。
飛利浦把這種基于多色LED的調(diào)色功能與利用通信功能遠(yuǎn)程控制照明器具的智能照明功能組合在一起，作為L(zhǎng)ED照明的重要附加值提供。估計(jì)這是打算重新構(gòu)筑LED照明產(chǎn)品群的戰(zhàn)略。2012年10月，該公司上市了可顯示1677萬色的LED燈泡“hue”。另外還推出了有10多種顏色的LED封裝。
綠色LED取得突破
針對(duì)多色LED方式，還有的研究人員不依賴熒光材料，而是全力開發(fā)具備高發(fā)光效率的綠色LED。比如名古屋大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授天野浩的研究室。最近，該研究室已有眉目實(shí)現(xiàn)外部量子效率（EQE）高達(dá)約60％的綠色LED。而在此之前，EQE最高只有20％左右。
此前，很多研究人員和企業(yè)都放棄了提高綠色LED的InGaN晶體品質(zhì)。因?yàn)?，只要晶體生長(zhǎng)時(shí)的溫度稍有偏差，就會(huì)出現(xiàn)In過剩或者不足的情況。
天野研究室采取的是實(shí)時(shí)、詳細(xì)地觀察晶體生長(zhǎng)的方法。在晶體生長(zhǎng)時(shí)邊照射3種波長(zhǎng)的激光，邊觀察晶體狀態(tài)，根據(jù)情況調(diào)整溫度等生長(zhǎng)條件。天野介紹說，“接下來要對(duì)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析和評(píng)測(cè)”，通過與高效率紅色LED和藍(lán)色LED等組合，“應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)接近300lm/W的效率”（天野）。
新基板蘊(yùn)藏著巨大的可能性
在對(duì)白色LED的要求中，（2）制造成本、（3）高亮度化以及（4）超越顯色指數(shù)和眩光極限的技術(shù)大多都與新基板有關(guān)。這些技術(shù)不使用藍(lán)寶石基板，而是在其他基板上生長(zhǎng)GaN晶體制作LED?？梢赃x擇SiC基板、Si基板以及GaN基板等。
這些基板雖然各有各的課題，但優(yōu)點(diǎn)是都蘊(yùn)藏著能大幅超越以往白色LED技術(shù)的沖擊力，有望開拓LED照明的新用途。
此外，也有想利用藍(lán)寶石基板提高發(fā)光效率和支持大電流密度的研究開發(fā)（圖8（b～d））。這些開發(fā)大多都是在基板上稍微施加一些特殊加工，目前還沒形成主流技術(shù)，不過為解決存在的課題，正在加速開發(fā)。新基板將在與藍(lán)寶石基板的競(jìng)爭(zhēng)中，加速提高性能。
利用Si基板大幅削減成本
在新基板技術(shù)中，有望（2）大幅降低制造成本的，是在Si基板上生長(zhǎng)GaN晶體的“GaNonSi”技術(shù)。該技術(shù)最近突然開始受到關(guān)注。
GaNonSi技術(shù)的最大特點(diǎn)是，制造裝置可使用普通的半導(dǎo)體用裝置。這樣就有望大幅削減包括封裝工序在內(nèi)的制造成本。也在推進(jìn)GaNonSi技術(shù)研發(fā)的名古屋大學(xué)的天野預(yù)測(cè)，“采用GaNonSi技術(shù)可將LED封裝價(jià)格降至1/4”。
GaNonSi技術(shù)還有其他優(yōu)點(diǎn)。比如通過采用半導(dǎo)體制造技術(shù)，可提高加工效率，能與其他電路集成等，有望催生新的附加值。
另外，GaNonSi并不是新技術(shù)。該技術(shù)雖然備受期待，但直到最近才開始推進(jìn)實(shí)用化，這是因?yàn)橐恢蔽茨芙鉀Q技術(shù)課題。例如，由于GaN與Si的晶格常數(shù)之差和熱膨脹系數(shù)之差較大，不容易在Si基板上生長(zhǎng)高品質(zhì)GaN晶體。因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)不同，存在晶體破損和硅晶圓曲翹的課題。制作的LED發(fā)光效率也比較低，很難追上性能領(lǐng)先的藍(lán)寶石基板白色LED。另外還存在作為LED基板來說最致命的課題，即Si會(huì)吸收可見光。
科銳公司的技術(shù)還存在“謎團(tuán)”。該公司2014年3月發(fā)布了發(fā)光效率為303lm/W的白色LED，這個(gè)效率超過了以往的白色LED技術(shù)的發(fā)光效率理論極限。對(duì)此很多觀點(diǎn)認(rèn)為，“應(yīng)該是采用了與藍(lán)色LED和黃色熒光材料的組合不同的技術(shù)”（某LED技術(shù)人員）。
實(shí)際上，如果采用構(gòu)造與以往的白色LED不同的技術(shù)，發(fā)光效率的理論極限要高得多。若不使用熒光材料，而是組合以紅色（R）、綠色（G）和藍(lán)色（B）分別發(fā)光的LED來形成白色光，還有望實(shí)現(xiàn)409lm/W的超高發(fā)光效率。
綠色LED發(fā)光效率低
利用多色LED形成白色光的想法以前就有。但輸給了日亞化學(xué)工業(yè)的技術(shù)。主要有兩點(diǎn)原因。第一，多色方式要想維持白色，需要根據(jù)各色LED發(fā)光狀態(tài)的時(shí)間變化來控制各LED的驅(qū)動(dòng)電流。
第二，與紅色和藍(lán)色LED相比，綠色LED的發(fā)光效率太低。綠色LED是在GaN中添加銦（In），增加發(fā)光波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的。但生長(zhǎng)晶體時(shí)非常難控制In的組成比，無法制作高品質(zhì)晶體。
調(diào)色功能成為L(zhǎng)ED照明的軸心
不過，最近出現(xiàn)了重新挑戰(zhàn)這種多色LED方式的企業(yè)，這就是荷蘭皇家飛利浦。該公司采用多色LED方式，于2013年4月開發(fā)出了發(fā)光效率為200lm/W的直管型LED燈“TLED”。針對(duì)存在課題的綠色發(fā)光改進(jìn)了方法，確保了所需的發(fā)光效率。這是通過組合藍(lán)色LED與自主開發(fā)的高效率綠色熒光材料實(shí)現(xiàn)的。
另外，飛利浦還導(dǎo)入了根據(jù)各色LED發(fā)光狀態(tài)的時(shí)間變化來控制各LED驅(qū)動(dòng)電流的機(jī)制，從而能一直保持白色狀態(tài)。利用該機(jī)制，還實(shí)現(xiàn)了可選擇不同顏色的調(diào)色功能。
飛利浦把這種基于多色LED的調(diào)色功能與利用通信功能遠(yuǎn)程控制照明器具的智能照明功能組合在一起，作為L(zhǎng)ED照明的重要附加值提供。估計(jì)這是打算重新構(gòu)筑LED照明產(chǎn)品群的戰(zhàn)略。2012年10月，該公司上市了可顯示1677萬色的LED燈泡“hue”。另外還推出了有10多種顏色的LED封裝。
綠色LED取得突破
針對(duì)多色LED方式，還有的研究人員不依賴熒光材料，而是全力開發(fā)具備高發(fā)光效率的綠色LED。比如名古屋大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授天野浩的研究室。最近，該研究室已有眉目實(shí)現(xiàn)外部量子效率（EQE）高達(dá)約60％的綠色LED。而在此之前，EQE最高只有20％左右。
此前，很多研究人員和企業(yè)都放棄了提高綠色LED的InGaN晶體品質(zhì)。因?yàn)?，只要晶體生長(zhǎng)時(shí)的溫度稍有偏差，就會(huì)出現(xiàn)In過剩或者不足的情況。
天野研究室采取的是實(shí)時(shí)、詳細(xì)地觀察晶體生長(zhǎng)的方法。在晶體生長(zhǎng)時(shí)邊照射3種波長(zhǎng)的激光，邊觀察晶體狀態(tài)，根據(jù)情況調(diào)整溫度等生長(zhǎng)條件。天野介紹說，“接下來要對(duì)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析和評(píng)測(cè)”，通過與高效率紅色LED和藍(lán)色LED等組合，“應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)接近300lm/W的效率”（天野）。
新基板蘊(yùn)藏著巨大的可能性
在對(duì)白色LED的要求中，（2）制造成本、（3）高亮度化以及（4）超越顯色指數(shù)和眩光極限的技術(shù)大多都與新基板有關(guān)。這些技術(shù)不使用藍(lán)寶石基板，而是在其他基板上生長(zhǎng)GaN晶體制作LED?？梢赃x擇SiC基板、Si基板以及GaN基板等。
這些基板雖然各有各的課題，但優(yōu)點(diǎn)是都蘊(yùn)藏著能大幅超越以往白色LED技術(shù)的沖擊力，有望開拓LED照明的新用途。
此外，也有想利用藍(lán)寶石基板提高發(fā)光效率和支持大電流密度的研究開發(fā)（圖8（b～d））。這些開發(fā)大多都是在基板上稍微施加一些特殊加工，目前還沒形成主流技術(shù)，不過為解決存在的課題，正在加速開發(fā)。新基板將在與藍(lán)寶石基板的競(jìng)爭(zhēng)中，加速提高性能。
利用Si基板大幅削減成本
在新基板技術(shù)中，有望（2）大幅降低制造成本的，是在Si基板上生長(zhǎng)GaN晶體的“GaNonSi”技術(shù)。該技術(shù)最近突然開始受到關(guān)注。
GaNonSi技術(shù)的最大特點(diǎn)是，制造裝置可使用普通的半導(dǎo)體用裝置。這樣就有望大幅削減包括封裝工序在內(nèi)的制造成本。也在推進(jìn)GaNonSi技術(shù)研發(fā)的名古屋大學(xué)的天野預(yù)測(cè)，“采用GaNonSi技術(shù)可將LED封裝價(jià)格降至1/4”。
GaNonSi技術(shù)還有其他優(yōu)點(diǎn)。比如通過采用半導(dǎo)體制造技術(shù)，可提高加工效率，能與其他電路集成等，有望催生新的附加值。
另外，GaNonSi并不是新技術(shù)。該技術(shù)雖然備受期待，但直到最近才開始推進(jìn)實(shí)用化，這是因?yàn)橐恢蔽茨芙鉀Q技術(shù)課題。例如，由于GaN與Si的晶格常數(shù)之差和熱膨脹系數(shù)之差較大，不容易在Si基板上生長(zhǎng)高品質(zhì)GaN晶體。因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)不同，存在晶體破損和硅晶圓曲翹的課題。制作的LED發(fā)光效率也比較低，很難追上性能領(lǐng)先的藍(lán)寶石基板白色LED。另外還存在作為LED基板來說最致命的課題，即Si會(huì)吸收可見光。
下載文檔
