改進(jìn)的硅襯底發(fā)光二極管地址高固態(tài)照明成本

動翻譯，供參考

改進(jìn)的硅襯底發(fā)光二極管地址高固態(tài)照明成本

對于今天的高亮度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，因為所產(chǎn)生的LED燈是光明的，高效的，并且持續(xù)很長時間。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。盡管價格暴跌近幾年，LED照明仍是相當(dāng)購買比傳統(tǒng)的替代更為昂貴。這個初始費用被認(rèn)為是一個主要因素放緩的固態(tài)照明(SSL)的驗收。

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，材料通常用來制造大多數(shù)電子芯片(“芯片”)。最關(guān)鍵的好處是非常低價供應(yīng)晶片，并利用貶值8英寸晶圓廠的LED制造機會。合并后，這些概念能夠極大地降低了LED的價格，克服消費者的反對。

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，在極具競爭力的價格，使之成為一個可行的替代常規(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)百萬美元的研發(fā)經(jīng)費，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因素，如最初的購買價格，能源消耗，和壽命的考慮，確定“擁有成本。”

最近的一項報告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價格繼續(xù)下跌)，一個LED燈具的回報(由于較低的運行成本和更長的使用壽命)，將抵消較高的初始購買價格相比， 1.7和3.9歲之間的緊湊型熒光燈(CFL)。在2011年相應(yīng)的計算產(chǎn)生了約14年的數(shù)字。 (圖1)

LED燈泡與CFL燈泡回收期圖片

圖1：LED燈泡與CFL燈泡在住宅市場的投資回收期(黑線代表基本情況，更輕的線代表更快的LED價格侵蝕)。 (麥肯錫公司提供)

不幸的是，在同一份報告中得出的結(jié)論是，盡管在照明應(yīng)用攀登LED的市場份額為45%左右，到2015年，“LED照明產(chǎn)品的價格溢價仍然很高，最初的購買價格較顯著障礙決策者決策時考慮到普通照明應(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燈泡零售價為$ 22 $ 12的同一家公司的100瓦相當(dāng)于T2扭腰CFL和一個100 W當(dāng)量的EcoSmart $ 6時相比，這沉默也許并不奇怪鹵素?zé)襞荨?/p>

LED燈泡的成本的一個關(guān)鍵因素是LED芯片本身。每個LED燈泡通常包括的六個，八個，或十個LED芯片，其每一個從特殊材料制造的一個復(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論是材料和制造成本將大大降低LED的初始購買價格，鼓勵更多的快速普及。

硅的替代

在電子革命是建立在硅;一個穩(wěn)定的，廉價的，豐富的半導(dǎo)體，很容易長成的晶體，片成片，并受到CMOS工藝把每片晶圓到成千上萬的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)品的價格。

大多數(shù)當(dāng)代LED被從GaN的組合，其特點適于發(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。一個缺點是在GaN的晶格間距(在晶體結(jié)構(gòu)中的單個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，危及兩個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，有時兩個數(shù)量改善功效和長壽的晶體結(jié)構(gòu)。 (見技術(shù)專區(qū)的文章“材料和制造的改進(jìn)提升發(fā)光效率。”)

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(8英寸晶片的表面面積是4倍，4英寸1(圖2)，而在同一時間削去材料和加工成本。

2-，4-，6-，和8英寸晶片的比較圖像

圖2：2-，4-，6-比較，以及8英寸晶片。

然而，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一個非常不同的系數(shù)。這兩個因素導(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很好的吸收器。這樣一來，從早期的氮化鎵上硅LED的光提取是一個季度中，從建立在藍(lán)寶石同類器件三分之一(參見技術(shù)專區(qū)的文章“將硅襯底推LED照明成主流?”)

一些創(chuàng)業(yè)公司都堅持他們的發(fā)展計劃，并同時氮化鎵上硅發(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，對今天的實驗臺設(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)一個新的市場開辟了“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)算價格(見技術(shù)專區(qū)文章“中等功率LED可提供較便宜的替代照明應(yīng)用”)。

中檔市場的發(fā)展開辟了氮化鎵上硅芯片的機會。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，而削弱了后者的價格。

東芝(最初曾與普瑞的合資企業(yè)，但后來又買了在合資企業(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，這個過程還是比制造藍(lán)寶石或SiC晶圓，因為它仍然是建立在廉價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，而無需經(jīng)過傳統(tǒng)LED的組裝過程(圖3)。這種技術(shù)的優(yōu)點是更高的成本節(jié)約和單一的LED可能日益流行上芯片板(COB)陣列競爭 - 產(chǎn)品，包括多個傳統(tǒng)LED預(yù)先組裝成一個單一的單元(參見技術(shù)專區(qū)文章“的興起芯片上的電路板LED模塊“)。

東芝的氮化鎵上硅處理圖像

圖3：東芝的氮化鎵上硅過程使包裝卷 - 發(fā)射極LED可直接從晶片切割，而不需要經(jīng)過一個傳統(tǒng)的包裝process3。 (東芝提供)

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。其它變體可橫跨2700至6500 K的溫度范圍內(nèi)。該芯片是由3.5毫米包(圖4)裝在一個3.5。

在Si的LED東芝TL1L4家庭氮化鎵的圖像

圖4：TL1L4在Si系列的LED氮化鎵承諾160流明從3.5×3.5 mm封裝。

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(163流明/瓦，3.05 V，700嘛)。東芝的產(chǎn)品實際上是提供比價格競爭力的中檔設(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，如國內(nèi)筒燈，路燈，泛光燈和。

補充技術(shù)

目前，照明消耗了世界能源的19%左右。據(jù)估計，大規(guī)模采用LED燈將削減通過，因為他們高得多的功效四分之三。雖然價格自然會繼續(xù)下跌，高性能的可用性而相對低成本的氮化鎵上硅像東芝承諾指示燈來加速這一進(jìn)程，使燈光師提供了克服高初始消費者的反對SSL解決方案收購價。

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;但它確實提供了一個補充現(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)生競爭，推動價格仍然較低，并增加了照明市場的SSL的份額。