高亮度LED的發(fā)展趨勢

隨著(zhù)LED性能持續地提高，應用市場(chǎng)也隨之急速擴大，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(zhù)長(cháng)壽命、省電、耐震、低電壓驅動(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被研發(fā)出來(lái)，因此，未來(lái)高亮度LED市場(chǎng)的發(fā)展，將會(huì )更快速與廣泛的成長(cháng)。

　　其中普及率最明顯的就是白光LED， 90年代末期在環(huán)保節能的背景下更被市場(chǎng)所期望著(zhù)，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主要的應用包括了手機液晶背光照明和車(chē)用內裝照明，單單是這些市場(chǎng)就已經(jīng)占了LED整體銷(xiāo)售量的25％左右．

　　另一方面關(guān)于照明應用的部份，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(guò)每年1,000億kWh。所以對于新一代節能型光源的期望相當大，但遺憾的是到目前為止，白光LED還只能夠使用在相當小的范圍。因為像5mm的小型白光LED，無(wú)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基本結構

　　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(lái)，驅動(dòng)電路比較復雜，后者單芯片型的話(huà)，LED只有1種，電路設計比較容易。單芯片型進(jìn)一步分成兩類(lèi)，一類(lèi)是發(fā)光源使用藍光LED，另一類(lèi)是使用近紫外和紫外光?，F在，市場(chǎng)上的白光LED大多數是藍光LED配合YAG螢光粉。

　　在過(guò)去，只有藍光LED使用GaN做為基板材料，但是現在從綠光領(lǐng)域到近紫外光領(lǐng)用的LED，也都開(kāi)始使用GaN化合物做為材料了。并且伴隨著(zhù)白光LED應用的擴大，市場(chǎng)對其效能的期待也逐漸增加。從單純的角度來(lái)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，如果只是做為顯示用途的話(huà)，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(lái)說(shuō)，為了達到更高效率，如何實(shí)現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)者的數量已經(jīng)接近10家企業(yè)，因此在市場(chǎng)上也展開(kāi)了激烈的競爭。與初期相比較之下，盡管今天已經(jīng)實(shí)現了飛躍性的亮度提升，但是技術(shù)上即將面臨更困難的門(mén)檻，所以現在不管是學(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(lái)看，大概分為，大電流化、短波長(cháng)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(lái)，業(yè)者對于只需一顆就可達到相當亮度的LED研發(fā)相當積極，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最大可以驅動(dòng)30mA的電流，但是這樣的結果還是遠遠無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)的期望，所以目標是需要將10倍以上的電流，導通到LED元件中。因此當LED的面積尺寸可以擴充到1m㎡時(shí)，那么緊接下來(lái)的工作便是如何讓電流值能夠達到350500mA，因為驅動(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(wú)法轉換成光而形成熱量，因此LED就會(huì )出現過(guò)熱的現象，這也會(huì )直接影響到LED的演色結果。因為L(cháng)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裝在熱傳導率大、熱容量大的材料上就成了相當重要的問(wèn)題，以目前來(lái)說(shuō)大多是使用有價(jià)金屬或者陶瓷。

　　短波長(cháng)帶來(lái)勵起光的高能量化　提升螢光粉的發(fā)光效率

　　從藍光開(kāi)始的GaN LED，目前已經(jīng)成功研發(fā)了高輝度綠光LED，開(kāi)始雖然也有長(cháng)波長(cháng)化的研發(fā)趨勢，但是因為InN的混晶比提高而導致的結晶性惡化，現在已經(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用研發(fā)也開(kāi)始被考量，所以目前業(yè)界對于短波長(cháng)的研發(fā)正在積極進(jìn)行。最近日本一些大學(xué)的實(shí)驗室已經(jīng)成功地研發(fā)出250nm的LED，不過(guò)實(shí)用性還是有待思考，因為人眼對于波長(cháng)的接受度約為380nm，所以波長(cháng)如果比380nm更短時(shí)，是無(wú)法生產(chǎn)出可視域內的LED，或者會(huì )產(chǎn)生低輸出的情況。

　　為了避免遇到前述的問(wèn)題，目前大多都采用以下的解決方法：

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

　　2.回避光吸收損失：在LED的芯片結構中存在GaN或者GaInM層的話(huà)，會(huì )因為自身將光吸收而無(wú)法將光散發(fā)出去，所以利用AlGaN層為基礎，來(lái)構成出全體結構層會(huì )有比較好的成果，或者利用GaN作為重要的n型底層。

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

如果能夠將上述的三個(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(lái)說(shuō)，GaN白光LED的效率已經(jīng)可以超過(guò)了白熱電燈泡和鹵素燈（1525lm/W），但是為了能夠超過(guò)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，并且能夠實(shí)現短波長(cháng)化的話(huà)，利用勵起光的高能量化，相信螢光粉的發(fā)光效率也會(huì )大幅攀升。

　　在長(cháng)晶面得到均一的質(zhì)量才是關(guān)鍵

　　所謂的內部發(fā)光效率是指電子變換成內光的比例?？梢哉f(shuō)是LED中心部份的發(fā)光效率。但是往往因為結晶缺陷的因素，嚴重的影響了LED的發(fā)光效率。當GaN長(cháng)晶時(shí)，因為使用在基板上的藍寶石基板和GaN單結晶件的格子定數差、熱膨脹系數的差距，使得長(cháng)晶方向出現了非常高密度的遷移缺陷。

　　一般來(lái)說(shuō)所產(chǎn)生的密度是在109c㎡以上，這樣的密度如果是出現在短波長(cháng)LED和雷射二極管時(shí)就會(huì )成為致命傷。為了減少這種轉位密度的方法大致上有2種，一種是不讓轉位貫通到長(cháng)成方向、另一種是抑制轉位現象的出現。在不讓轉位貫通到長(cháng)成方向這一方面，可以使用Patterning加工的基板，在垂直長(cháng)成時(shí)，使之往水平方向長(cháng)成，將缺陷的長(cháng)成邊朝向水平方向彎曲，垂直方向實(shí)現貫通結果，來(lái)降低轉位現象，這樣的做法雖然大概能達到107c㎡以下的低轉位，但是實(shí)際量產(chǎn)的話(huà)，要在長(cháng)晶面得到均一的質(zhì)量才是關(guān)鍵。后者的方法是將結晶缺陷密度低的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(lái)在Ⅲ族氮化物里是不存在單結晶Bulk，當使用藍寶石基板進(jìn)行hetero-epitaxial生成，轉位高密度發(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(kāi)發(fā)中，也有一些已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入銷(xiāo)售的階段了。另一方面，與終極基板Bulk基板相對的，能夠實(shí)現其類(lèi)似功能的是Template基板。目前好幾個(gè)業(yè)者都開(kāi)始小量生產(chǎn)，這些雖然沒(méi)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(huì )迅速劣化，這些結構現象還是仍舊被工程師與學(xué)者在研究當中，但是并沒(méi)有一個(gè)完整的理論出現。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(shí)現好的長(cháng)晶　一切都是白費功夫

　　結晶生成對于LED元件制造來(lái)說(shuō)，是相當關(guān)鍵的技術(shù)，同時(shí)也是高效率化研發(fā)的關(guān)鍵。無(wú)論怎么好的結構層設計，如果不能實(shí)現好的長(cháng)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側的接觸電極是采用透光性的薄膜電極，透過(guò)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(mǎn)足實(shí)際應用的需求，因為通過(guò)電極的光系數，或者反射而無(wú)法散發(fā)出的光相當的多，使得發(fā)光效率一直無(wú)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，必須采用穩定性高的材料作為電極，將光從藍寶石基板側發(fā)出，來(lái)提高發(fā)光通量。