高亮度LED的發(fā)展趨勢(shì)

隨著LED性能持續(xù)地提高，應(yīng)用市場(chǎng)也隨之急速擴(kuò)大，隱藏在背后的原因是使用GaN、AllnGaP發(fā)光材料的高輝度LED，擁有著長(zhǎng)壽命、省電、耐震、低電壓驅(qū)動(dòng)等優(yōu)秀的特色，并且超越燈泡和鹵素等，而高發(fā)光效率的LED更是在最近幾年陸續(xù)被研發(fā)出來，因此，未來高亮度LED市場(chǎng)的發(fā)展，將會(huì)更快速與廣泛的成長(zhǎng)。

　　其中普及率最明顯的就是白光LED， 90年代末期在環(huán)保節(jié)能的背景下更被市場(chǎng)所期望著，同時(shí)也刺激了業(yè)者迅速研發(fā)相關(guān)的技術(shù)。就目前而言，白光LED主要的應(yīng)用包括了手機(jī)液晶背光照明和車用內(nèi)裝照明，單單是這些市場(chǎng)就已經(jīng)占了LED整體銷售量的25％左右．

　　另一方面關(guān)于照明應(yīng)用的部份，則處于剛起步的境界。一般建筑物的照明，往往占了整個(gè)消耗電力的20％，在日本，90年代已經(jīng)超過每年1,000億kWh。所以對(duì)于新一代節(jié)能型光源的期望相當(dāng)大，但遺憾的是到目前為止，白光LED還只能夠使用在相當(dāng)小的范圍。因?yàn)橄?mm的小型白光LED，無法像電燈泡或者螢光燈那樣，只用一個(gè)就能得到使用環(huán)境所需的光量。因此如果希望LED能夠跨足到建筑照明，在整體技術(shù)上則需要更大的突破才行。

　　高亮度白光LED基本結(jié)構(gòu)

　　白光LED基本上有兩種方式。一種是多芯片型，一種是單芯片型。前者是將紅綠藍(lán)三種LED封裝在一起，同時(shí)使其發(fā)光而產(chǎn)生白光，后者是把藍(lán)光或者紫光、紫外光的LED作為光源，在配合使用螢光粉發(fā)出白光。前者的方式，必須將各種LED的特性組合起來，驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜，后者單芯片型的話，LED只有1種，電路設(shè)計(jì)比較容易。單芯片型進(jìn)一步分成兩類，一類是發(fā)光源使用藍(lán)光LED，另一類是使用近紫外和紫外光?，F(xiàn)在，市場(chǎng)上的白光LED大多數(shù)是藍(lán)光LED配合YAG螢光粉。

　　在過去，只有藍(lán)光LED使用GaN做為基板材料，但是現(xiàn)在從綠光領(lǐng)域到近紫外光領(lǐng)用的LED，也都開始使用GaN化合物做為材料了。并且伴隨著白光LED應(yīng)用的擴(kuò)大，市場(chǎng)對(duì)其效能的期待也逐漸增加。從單純的角度來看，高效率的追求一直都是被市場(chǎng)與業(yè)者所期待的。但是另一方面，演色也將會(huì)是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，如果只是做為顯示用途的話，發(fā)光色為白色可能就已經(jīng)足夠了，但是從照明的用途來說，為了達(dá)到更高效率，如何實(shí)現(xiàn)與自然光接近的顏色就顯得非常必要了。

　　 GaN作為高亮度LED基材　逐漸普及

　　在技術(shù)發(fā)展的初期，全球只有23家業(yè)者發(fā)展及生產(chǎn)GaN LED，但是到今天為止生產(chǎn)業(yè)者的數(shù)量已經(jīng)接近10家企業(yè)，因此在市場(chǎng)上也展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。與初期相比較之下，盡管今天已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了飛躍性的亮度提升，但是技術(shù)上即將面臨更困難的門檻，所以現(xiàn)在不管是學(xué)術(shù)界，還是企業(yè)界都在集中精力進(jìn)行技術(shù)和研究研發(fā)。以目前GaN LED整體的研發(fā)方向來看，大概分為，大電流化、短波長(zhǎng)化，以及高效率化等等的發(fā)展方向．

　　如何讓LED支持更大的電流

　　近年來，業(yè)者對(duì)于只需一顆就可達(dá)到相當(dāng)亮度的LED研發(fā)相當(dāng)積極，因此在這一方面的技術(shù)也就落在如何讓LED能夠支持更大的電流。通常30u㎡的LED最大可以驅(qū)動(dòng)30mA的電流，但是這樣的結(jié)果還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足市場(chǎng)的期望，所以目標(biāo)是需要將10倍以上的電流，導(dǎo)通到LED元件中。因此當(dāng)LED的面積尺寸可以擴(kuò)充到1m㎡時(shí)，那么緊接下來的工作便是如何讓電流值能夠達(dá)到350500mA，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓是3V多，所以就可以有1W的電力能被流進(jìn)1m㎡的芯片面積。

　　而在發(fā)光演色的方面，雖然有這么大的功率輸入到GaN LED中，但是所投入電力的四分之三都無法轉(zhuǎn)換成光而形成熱量，因此LED就會(huì)出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象，這也會(huì)直接影響到LED的演色結(jié)果。因?yàn)長(zhǎng)ED元件的基本特性是，如果溫度上升，發(fā)光效率就會(huì)下降以及造成演色性偏差，所以如何有效的釋放大量產(chǎn)生熱量的放熱技術(shù)成為了關(guān)鍵，因此將LED裝在熱傳導(dǎo)率大、熱容量大的材料上就成了相當(dāng)重要的問題，以目前來說大多是使用有價(jià)金屬或者陶瓷。

　　短波長(zhǎng)帶來勵(lì)起光的高能量化　提升螢光粉的發(fā)光效率

　　從藍(lán)光開始的GaN LED，目前已經(jīng)成功研發(fā)了高輝度綠光LED，開始雖然也有長(zhǎng)波長(zhǎng)化的研發(fā)趨勢(shì)，但是因?yàn)镮nN的混晶比提高而導(dǎo)致的結(jié)晶性惡化，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸被業(yè)界放棄了。另一方面，為了諸如成為雷射代用品等的新型應(yīng)用研發(fā)也開始被考量，所以目前業(yè)界對(duì)于短波長(zhǎng)的研發(fā)正在積極進(jìn)行。最近日本一些大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功地研發(fā)出250nm的LED，不過實(shí)用性還是有待思考，因?yàn)槿搜蹖?duì)于波長(zhǎng)的接受度約為380nm，所以波長(zhǎng)如果比380nm更短時(shí)，是無法生產(chǎn)出可視域內(nèi)的LED，或者會(huì)產(chǎn)生低輸出的情況。

　　為了避免遇到前述的問題，目前大多都采用以下的解決方法：

　　1.變更發(fā)光層結(jié)構(gòu)：不在可視域LED的芯片上采用的GaInN結(jié)構(gòu)，而是采用Eg更大的AlGaN或者AlGaInN。

　　2.回避光吸收損失：在LED的芯片結(jié)構(gòu)中存在GaN或者GaInM層的話，會(huì)因?yàn)樽陨韺⒐馕斩鵁o法將光散發(fā)出去，所以利用AlGaN層為基礎(chǔ)，來構(gòu)成出全體結(jié)構(gòu)層會(huì)有比較好的成果，或者利用GaN作為重要的n型底層。

　　3.減少結(jié)晶缺陷的：短波長(zhǎng)LED中結(jié)晶缺陷的密度會(huì)對(duì)光輸出和壽命早成很大的影響。

如果能夠?qū)⑸鲜龅娜齻€(gè)課題順利的解決，相信利用LED作為一般照明的實(shí)用距離又能大幅度的縮短。以目前來說，GaN白光LED的效率已經(jīng)可以超過了白熱電燈泡和鹵素?zé)簦?525lm/W），但是為了能夠超過擁有壓倒性光亮輸出相大的日光燈（5080lm/W以上），就需要更大幅的效率提高和光量的飛躍性增加。為了能達(dá)到與日光燈相同的光源特性，利用螢光粉發(fā)光的混色形成的白光化技術(shù)，就成為關(guān)鍵的因素。如果充分利用LED的效率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)短波長(zhǎng)化的話，利用勵(lì)起光的高能量化，相信螢光粉的發(fā)光效率也會(huì)大幅攀升。

　　在長(zhǎng)晶面得到均一的質(zhì)量才是關(guān)鍵

　　所謂的內(nèi)部發(fā)光效率是指電子變換成內(nèi)光的比例?？梢哉f是LED中心部份的發(fā)光效率。但是往往因?yàn)榻Y(jié)晶缺陷的因素，嚴(yán)重的影響了LED的發(fā)光效率。當(dāng)GaN長(zhǎng)晶時(shí)，因?yàn)槭褂迷诨迳系乃{(lán)寶石基板和GaN單結(jié)晶件的格子定數(shù)差、熱膨脹系數(shù)的差距，使得長(zhǎng)晶方向出現(xiàn)了非常高密度的遷移缺陷。

　　一般來說所產(chǎn)生的密度是在109c㎡以上，這樣的密度如果是出現(xiàn)在短波長(zhǎng)LED和雷射二極管時(shí)就會(huì)成為致命傷。為了減少這種轉(zhuǎn)位密度的方法大致上有2種，一種是不讓轉(zhuǎn)位貫通到長(zhǎng)成方向、另一種是抑制轉(zhuǎn)位現(xiàn)象的出現(xiàn)。在不讓轉(zhuǎn)位貫通到長(zhǎng)成方向這一方面，可以使用Patterning加工的基板，在垂直長(zhǎng)成時(shí)，使之往水平方向長(zhǎng)成，將缺陷的長(zhǎng)成邊朝向水平方向彎曲，垂直方向?qū)崿F(xiàn)貫通結(jié)果，來降低轉(zhuǎn)位現(xiàn)象，這樣的做法雖然大概能達(dá)到107c㎡以下的低轉(zhuǎn)位，但是實(shí)際量產(chǎn)的話，要在長(zhǎng)晶面得到均一的質(zhì)量才是關(guān)鍵。后者的方法是將結(jié)晶缺陷密度低的Ⅲ族氮化物（nitride）基板，或者低缺陷的Ⅲ族氮化物使用在已經(jīng)成膜的基板上。

　　原來在Ⅲ族氮化物里是不存在單結(jié)晶Bulk，當(dāng)使用藍(lán)寶石基板進(jìn)行hetero-epitaxial生成，轉(zhuǎn)位高密度發(fā)生的根源就在于這種異種基板的使用，當(dāng)然使用Bulk基板是最佳的解決方法。因此，在各種制作方法上的研發(fā)、量產(chǎn)化都在積極的開發(fā)中，也有一些已經(jīng)開始進(jìn)入銷售的階段了。另一方面，與終極基板Bulk基板相對(duì)的，能夠?qū)崿F(xiàn)其類似功能的是Template基板。目前好幾個(gè)業(yè)者都開始小量生產(chǎn)，這些雖然沒有像Bulk基板成本那么高，但是成本也不低，因?yàn)榭紤]到高成本和效率，只能使用在雷射和電子設(shè)備，UV LED等上面。

　　盡管結(jié)晶缺陷非常多，但是GaN系LED元件為什么能夠達(dá)到高亮度，并且芯片不會(huì)迅速劣化，這些結(jié)構(gòu)現(xiàn)象還是仍舊被工程師與學(xué)者在研究當(dāng)中，但是并沒有一個(gè)完整的理論出現(xiàn)。所以為了達(dá)到材料最大的限度，發(fā)揮出GaN的極限，就有必需確定發(fā)光構(gòu)造的理想的層構(gòu)成，以及構(gòu)造設(shè)計(jì)。

　　如果不能實(shí)現(xiàn)好的長(zhǎng)晶　一切都是白費(fèi)功夫

　　結(jié)晶生成對(duì)于LED元件制造來說，是相當(dāng)關(guān)鍵的技術(shù)，同時(shí)也是高效率化研發(fā)的關(guān)鍵。無論怎么好的結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)，如果不能實(shí)現(xiàn)好的長(zhǎng)晶，一切都是白費(fèi)功夫。在初期，量產(chǎn)的GaN LED是face-up型的元件，在p側(cè)的接觸電極是采用透光性的薄膜電極，透過這個(gè)薄膜電極發(fā)光，而材料上則是使用Au合金電極，但是雖然具有透光性的特性，但是實(shí)際的透光度并不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，因?yàn)橥ㄟ^電極的光系數(shù)，或者反射而無法散發(fā)出的光相當(dāng)?shù)亩?，使得發(fā)光效率一直無法獲得提升。因此隨后研發(fā)人員考量，因?yàn)閒ace-up型的LED元件反射率很高，必須采用穩(wěn)定性高的材料作為電極，將光從藍(lán)寶石基板側(cè)發(fā)出，來提高發(fā)光通量。