高亮度LED照明領域上的發(fā)展趨勢

原來在Ⅲ族氮化物里是不存在單結晶Bulk，當使用藍寶石基板進行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)開始進入銷售的階段了。另一方面，與終極基板Bulk基板相對的，能夠?qū)崿F(xiàn)其類似功能的是Template基板。目前好幾個業(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，因為考慮到高成本和效率，只能使用在雷射和電子設備，UV LED等上面。

盡管結晶缺陷非常多，但是GaN系LED元件為什么能夠達到高亮度，并且芯片不會迅速劣化，這些結構現(xiàn)象還是仍舊被工程師與學者在研究當中，但是并沒有一個完整的理論出現(xiàn)。所以為了達到材料最大的限度，發(fā)揮出GaN的極限，就有必需確定發(fā)光構造的理想的層構成，以及構造設計。

如果不能實現(xiàn)好的長晶　一切都是白費功夫

結晶生成對于LED元件制造來說，是相當關鍵的技術，同時也是高效率化研發(fā)的關鍵。無論怎么好的結構層設計，如果不能實現(xiàn)好的長晶，一切都是白費功夫。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，但是實際的透光度并不能滿足實際應用的需求，因為通過電極的光系數(shù)，或者反射而無法散發(fā)出的光相當?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，因為face-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，將光從藍寶石基板側(cè)發(fā)出，來提高發(fā)光通量。

通常的LED芯片有必要透過有機材料來固定，往往伴隨著這種封裝材料的熱量出現(xiàn)，會使得光的質(zhì)量出現(xiàn)劣化，產(chǎn)生光輸出降低的問題。另一方面flip-chip的封裝之所以可以達到高發(fā)光效率，因為是將結晶層置于下方，利用bump金屬材料封裝在基板上，所以能夠有效率的把結晶層內(nèi)的熱量排除，而且因為不需要連接材料，所以穩(wěn)定性也相當高，用來作為照明用的大電流、大型元件，這是非常好的封裝設計。

圖說：Flip Chip的封裝之所以可以達到高發(fā)光效率，因為是將結晶層置于下方，利用bump金屬材料封裝在基板上，所以能夠有效率的把結晶層內(nèi)的熱量排除。（資料來源：CREE）

提高電極的可視光透過率　增加光通量

最近也有工程師開始利用ITO作為透明導電膜，這是因為ITO電極的可視光透過率非常高，而且電極材料自身也不大會出現(xiàn)光吸收現(xiàn)象而造成光損耗，而且在光學設計上，本身折射率是GaN折射率和Mold材料樹脂的中間值，所以能夠大幅增加輸出效率。因為GaN系結晶折射率很高，所以在LED元件結晶內(nèi)部發(fā)出的光，并沒有透出而是在內(nèi)部反射，最終被材料所吸收。例如n-GaN層／藍寶石基板界面的臨界角是47度，p-GaN層／mold材料的epitaxial樹脂界面的臨界角是38度，一般LED的輸出效率至少是30％。因此如果能夠?qū)l(fā)光層發(fā)出的光全部透出的話，很有可能可以將LED的亮度增加到目前兩倍以上。

LED構造逐漸固定化之后的一兩年，關于這一方面的討論相當多，包括了n-GaN層／藍寶石基板界面以及p-GaN層表面等等。在n-GaN層／藍寶石基板界面上，最有代表性的研究是透過界面加工，制造出光學的凹凸，并且在所形成凹凸的藍寶石基板上生成結晶。界面作成凹凸形狀的理由是，這樣能夠大幅減少全反射損失，如果在結晶生成初期，在加上促進水平方向長成，就能夠減少結晶的缺陷，而使得發(fā)光效率大幅度的提升。

另外，也有業(yè)者正在開發(fā)，當藍寶石基板上進行長晶后，除去藍寶石基板以及物件界面的技術。這是因為在結晶生成后會形成反射性的電極，在這個電極上結合基板材料，然后再用雷射lift-off法除去藍寶石基板，在露出的n-GaN層上形成n接觸電極，當然這樣的話，n-GaN層／mold樹脂間界面的臨界角會比較小，使得光輸出效率非常差，為了克服這一個缺點，就必須在n-GaN表面增加光學的設計，因為設計和生產(chǎn)的自由度都很高，所以可能會有很大幅度的輸出效率提高，也會有flip chip的優(yōu)點。

在p-GaN層表面技術方面，目前有相當多業(yè)者投入開發(fā)Photonic結晶技術，所謂的Photonic結晶就是在光的波長周期性擁有折射率分布的構造，能夠?qū)崿F(xiàn)一般物質(zhì)空間種無法實現(xiàn)的光的應用。將p-GaN層進行蝕刻制程，在最表面形成Photonic結晶，能夠大幅提高光輸出效率，但是這是要求度非常高的微細制程技術，而且在對p-GaN層加工時，會造成p-GaN層破壞，所以目前還是停留在研發(fā)的階段。Photonic結晶技術被發(fā)現(xiàn)后，在各領域的應用有著相當令人激賞的表現(xiàn)，一直是倍受研發(fā)者所關心的一項技術，因為多是期望能夠回避日亞化學的藍光LED加螢光粉制技術專利。

其它的高效率化技術

利用增加電流也可以達到高亮度，但是單純的將元件大型化，透過提高電流實現(xiàn)高光度的話，是不能提高效率的，因為雖然將LED變的更亮，但是耗電量也隨之增加，并且也會損及LED的使用壽命，但是可以透過減少元件的熱負荷，來進一步提高發(fā)光效率，因為即使是一般尺寸的LED，可以因為在封裝基板上使用熱傳導性好的材料，來實現(xiàn)高效率化。GaN LED相關的研發(fā)，已經(jīng)將基板的結構發(fā)展的相當成熟，接下來進一步的就是開發(fā)出新一代高效率LED。因為目前GaN LED的內(nèi)部發(fā)光效率已經(jīng)到達相當高的水平，但是光輸出效率還有很大的空間可以提升，如果能夠?qū)崿F(xiàn)新一代設計的話，可以期待大幅度的光亮度提升成果，雖然有成本，壽命的諸多問題，相信新一代的超高亮度LED的量產(chǎn)時代已經(jīng)不遠了，同時也縮短了照明領域應用的時間距離。