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利用Si基板大幅削减成本 绿色LED发展迅速

2014/6/27 9:19:09来源:本站原创 【字体:

导 读:科锐公司的技术还存在“谜团”。该公司2014年3月发布了发光效率为303lm/W的白色LED,这个效率超过了以往的白色LED技术的发光效率理论极限。对此很多观点认为,“应该是采用了与蓝色LED和黄色荧光材料的组合不同的技术”(某LED技术人员)。
关 键 词:Si基板 LED

  多色LED达到400lm/W
 
  科锐公司的技术还存在“谜团”。该公司2014年3月发布了发光效率为303lm/W的白色LED,这个效率超过了以往的白色LED技术的发光效率理论极限。对此很多观点认为,“应该是采用了与蓝色LED和黄色荧光材料的组合不同的技术”(某LED技术人员)。
 
  实际上,如果采用构造与以往的白色LED不同的技术,发光效率的理论极限要高得多。若不使用荧光材料,而是组合以红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)分别发光的LED来形成白色光,还有望实现409lm/W的超高发光效率。
 
  绿色LED发光效率低
 
  利用多色LED形成白色光的想法以前就有。但输给了日亚化学工业的技术。主要有两点原因。第一,多色方式要想维持白色,需要根据各色LED发光状态的时间变化来控制各LED的驱动电流。
 
  第二,与红色和蓝色LED相比,绿色LED的发光效率太低。绿色LED是在GaN中添加铟(In),增加发光波长实现的。但生长晶体时非常难控制In的组成比,无法制作高品质晶体。
 
  调色功能成为LED照明的轴心
 
  不过,最近出现了重新挑战这种多色LED方式的企业,这就是荷兰皇家飞利浦。该公司采用多色LED方式,于2013年4月开发出了发光效率为200lm/W的直管型LED灯“TLED”。针对存在课题的绿色发光改进了方法,确保了所需的发光效率。这是通过组合蓝色LED与自主开发的高效率绿色荧光材料实现的。
 
  另外,飞利浦还导入了根据各色LED发光状态的时间变化来控制各LED驱动电流的机制,从而能一直保持白色状态。利用该机制,还实现了可选择不同颜色的调色功能。
 
  飞利浦把这种基于多色LED的调色功能与利用通信功能远程控制照明器具的智能照明功能组合在一起,作为LED照明的重要附加值提供。估计这是打算重新构筑LED照明产品群的战略。2012年10月,该公司上市了可显示1677万色的LED灯泡“hue”。另外还推出了有10多种颜色的LED封装。
 
  绿色LED取得突破
 
  针对多色LED方式,还有的研究人员不依赖荧光材料,而是全力开发具备高发光效率的绿色LED。比如名古屋大学研究生院工学系研究科教授天野浩的研究室。最近,该研究室已有眉目实现外部量子效率(EQE)高达约60%的绿色LED。而在此之前,EQE最高只有20%左右。
 
  此前,很多研究人员和企业都放弃了提高绿色LED的InGaN晶体品质。因为,只要晶体生长时的温度稍有偏差,就会出现In过剩或者不足的情况。
 
  天野研究室采取的是实时、详细地观察晶体生长的方法。在晶体生长时边照射3种波长的激光,边观察晶体状态,根据情况调整温度等生长条件。天野介绍说,“接下来要对结果进行详细分析和评测”,通过与高效率红色LED和蓝色LED等组合,“应该能实现接近300lm/W的效率”(天野)。
 
  新基板蕴藏着巨大的可能性
 
  在对白色LED的要求中,(2)制造成本、(3)高亮度化以及(4)超越显色指数和眩光极限的技术大多都与新基板有关。这些技术不使用蓝宝石基板,而是在其他基板上生长GaN晶体制作LED。可以选择SiC基板、Si基板以及GaN基板等。
 
  这些基板虽然各有各的课题,但优点是都蕴藏着能大幅超越以往白色LED技术的冲击力,有望开拓LED照明的新用途。
 
  此外,也有想利用蓝宝石基板提高发光效率和支持大电流密度的研究开发(图8(b~d))。这些开发大多都是在基板上稍微施加一些特殊加工,目前还没形成主流技术,不过为解决存在的课题,正在加速开发。新基板将在与蓝宝石基板的竞争中,加速提高性能。
 
  利用Si基板大幅削减成本
 
  在新基板技术中,有望(2)大幅降低制造成本的,是在Si基板上生长GaN晶体的“GaN on Si”技术。该技术最近突然开始受到关注。
 
  GaN on Si技术的最大特点是,制造装置可使用普通的半导体用装置。这样就有望大幅削减包括封装工序在内的制造成本。也在推进GaN on Si技术研发的名古屋大学的天野预测,“采用GaN on Si技术可将LED封装价格降至1/4”。
 
  GaN on Si技术还有其他优点。比如通过采用半导体制造技术,可提高加工效率,能与其他电路集成等,有望催生新的附加值。
 
  另外,GaN on Si并不是新技术。该技术虽然备受期待,但直到最近才开始推进实用化,这是因为一直未能解决技术课题。例如,由于GaN与Si的晶格常数之差和热膨胀系数之差较大,不容易在Si基板上生长高品质GaN晶体。因为热膨胀系数不同,存在晶体破损和硅晶圆曲翘的课题。制作的LED发光效率也比较低,很难追上性能领先的蓝宝石基板白色LED。另外还存在作为LED基板来说最致命的课题,即Si会吸收可见光。


 
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