高亮度LED照明領(lǐng)域上的發(fā)展趨勢

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。

通常的LED芯片有必要透過(guò)有機材料來(lái)固定，往往伴隨著(zhù)這種封裝材料的熱量出現，會(huì )使得光的質(zhì)量出現劣化，產(chǎn)生光輸出降低的問(wèn)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的熱量排除，而且因為不需要連接材料，所以穩定性也相當高，用來(lái)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(shuō)：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的熱量排除。（資料來(lái)源：CREE）

提高電極的可視光透過(guò)率　增加光通量

最近也有工程師開(kāi)始利用ITO作為透明導電膜，這是因為ITO電極的可視光透過(guò)率非常高，而且電極材料自身也不大會(huì )出現光吸收現象而造成光損耗，而且在光學(xué)設計上，本身折射率是GaN折射率和Mold材料樹(shù)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元件結晶內部發(fā)出的光，并沒(méi)有透出而是在內部反射，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(shù)脂界面的臨界角是38度，一般LED的輸出效率至少是30％。因此如果能夠將發(fā)光層發(fā)出的光全部透出的話(huà)，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(guān)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(guò)界面加工，制造出光學(xué)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(jìn)水平方向長(cháng)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(kāi)發(fā)，當藍寶石基板上進(jìn)行長(cháng)晶后，除去藍寶石基板以及物件界面的技術(shù)。這是因為在結晶生成后會(huì )形成反射性的電極，在這個(gè)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(huà)，n-GaN層／mold樹(shù)脂間界面的臨界角會(huì )比較小，使得光輸出效率非常差，為了克服這一個(gè)缺點(diǎn)，就必須在n-GaN表面增加光學(xué)的設計，因為設計和生產(chǎn)的自由度都很高，所以可能會(huì )有很大幅度的輸出效率提高，也會(huì )有flip chip的優(yōu)點(diǎn)。

在p-GaN層表面技術(shù)方面，目前有相當多業(yè)者投入開(kāi)發(fā)Photonic結晶技術(shù)，所謂的Photonic結晶就是在光的波長(cháng)周期性擁有折射率分布的構造，能夠實(shí)現一般物質(zhì)空間種無(wú)法實(shí)現的光的應用。將p-GaN層進(jìn)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(shù)，而且在對p-GaN層加工時(shí)，會(huì )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(shù)被發(fā)現后，在各領(lǐng)域的應用有著(zhù)相當令人激賞的表現，一直是倍受研發(fā)者所關(guān)心的一項技術(shù)，因為多是期望能夠回避日亞化學(xué)的藍光LED加螢光粉制技術(shù)專(zhuān)利。

其它的高效率化技術(shù)

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(guò)提高電流實(shí)現高光度的話(huà)，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(huì )損及LED的使用壽命，但是可以透過(guò)減少元件的熱負荷，來(lái)進(jìn)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(lái)實(shí)現高效率化。GaN LED相關(guān)的研發(fā)，已經(jīng)將基板的結構發(fā)展的相當成熟，接下來(lái)進(jìn)一步的就是開(kāi)發(fā)出新一代高效率LED。因為目前GaN LED的內部發(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，如果能夠實(shí)現新一代設計的話(huà)，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(wèn)題，相信新一代的超高亮度LED的量產(chǎn)時(shí)代已經(jīng)不遠了，同時(shí)也縮短了照明領(lǐng)域應用的時(shí)間距離。