LED照明第二幕（二）綠色LED取得突破，利用Si基板大幅削減成本

文章來源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2014-06-30

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 多色LED達(dá)到400lm/W

科銳公司的技術(shù)還存在“謎團(tuán)”。該公司2014年3月發(fā)布的發(fā)光效率303lm/W的白色LED，超過了以往的白色LED技術(shù)的發(fā)光效率理論極限（圖4（a））。對(duì)此，認(rèn)為“應(yīng)該是采用了與藍(lán)色LED組合黃色熒光材料不同的技術(shù)”（某LED技術(shù)人員）的看法很多。

圖4：改變技術(shù)的話，理論極限將超過400lm/W

以不同方式實(shí)現(xiàn)的白色LED的發(fā)光效率理論極限。在以往的組合藍(lán)色LED和YAG熒光材料的方法中，294lm/W就是極限了，而在組合RGB或者在RGB中添加琥珀色的RGBA發(fā)光LED中，理論發(fā)光效率可達(dá)到400lm/W左右。（圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的資料制作）

實(shí)際上，構(gòu)造與以往的白色LED不同的技術(shù)， LED置換工程，發(fā)光效率的理論極限要高得多。若不使用熒光材料，而是組合分別發(fā)紅色（R）、綠色（G）和藍(lán)色（B）光的LED來形成白色光，還有望實(shí)現(xiàn)409lm/W的超高發(fā)光效率（圖4（b））。

綠色LED發(fā)光效率低

利用多色LED形成白色光的想法以前就有。但其輸給了日亞化學(xué)工業(yè)的技術(shù)。主要有兩點(diǎn)原因。第一，多色方式要想維持白色，需要根據(jù)各色LED發(fā)光狀態(tài)的時(shí)間變化來控制各LED的驅(qū)動(dòng)電流。

第二，與紅色和藍(lán)色LED相比，店鋪照明， led商業(yè)照明，綠色LED的發(fā)光效率太低（圖5）。綠色LED是在GaN中添加銦（In），增加發(fā)光波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的。但生長(zhǎng)晶體時(shí)非常難控制In的組成比，無法制作高品質(zhì)晶體。

圖5：RGB和RGBA方式的關(guān)鍵在于提高綠色發(fā)光的效率

以RGB等各色發(fā)光的LED目前的外部量子效率。紫色和藍(lán)色發(fā)光的LED利用InGaN系、黃色和紅色發(fā)光的LED利用AlGaInP系半導(dǎo)體制作。一直到最近，綠色發(fā)光LED在哪種組合的LED中都難以實(shí)現(xiàn)高發(fā)光效率。（圖：名古屋大學(xué)天野研究室）

調(diào)色功能成為L(zhǎng)ED照明的軸心

不過，最近出現(xiàn)了重新挑戰(zhàn)這種多色LED方式的企業(yè)，這就是荷蘭皇家飛利浦。該公司采用多色LED方式，于2013年4月開發(fā)出了發(fā)光效率為200lm/W的直管型LED燈“TLED”。針對(duì)存在課題的綠色發(fā)光改進(jìn)了方法，建筑照明，確保了所需的發(fā)光效率。這是通過組合藍(lán)色LED與自主開發(fā)的高效率綠色熒光材料實(shí)現(xiàn)的（圖6）。

圖6：飛利浦以調(diào)色功能為中心開發(fā)產(chǎn)品

飛利浦200lm/W的白色直管型LED燈的實(shí)現(xiàn)方法（a、b），以及采用RGB等各色發(fā)光的LED的可調(diào)色LED燈泡（c、d）。黃綠色LED的發(fā)光效率高達(dá)200lm/W。（圖（d）由飛利浦流明提供）

另外，飛利浦還導(dǎo)入了根據(jù)各色LED發(fā)光狀態(tài)的時(shí)間變化來控制各LED驅(qū)動(dòng)電流的機(jī)制，從而能一直保持白色狀態(tài)。利用該機(jī)制，還實(shí)現(xiàn)了可選擇不同顏色的調(diào)色功能。

飛利浦把這種基于多色LED的調(diào)色功能與利用通信功能遠(yuǎn)程控制照明器具的智能照明功能組合在一起，LED天花燈，作為L(zhǎng)ED照明的重要附加值提供。估計(jì)這是打算重新構(gòu)筑LED照明產(chǎn)品群的戰(zhàn)略。2012年10月，該公司上市了可顯示1677萬色的LED燈泡“hue”。另外還推出了有10多種顏色的LED封裝。

綠色LED取得突破

在多色LED方式上，室外照明，還有不依賴熒光材料，而是全力開發(fā)高發(fā)光效率的綠色LED的的研究者。比如名古屋大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授天野浩的研究室（圖7）。最近，據(jù)稱外部量子效率（EQE）高達(dá)約60％的綠色LED已有眉目達(dá)成極高的效率。而在此之前，EQE最高只有20％左右。

圖7：將實(shí)現(xiàn)超高效率綠色發(fā)光LED

名古屋大學(xué)天野研究室等開發(fā)的高效率綠色LED的概要。綠色LED采用In含量較多的InGaN晶體，需要對(duì)溫度等晶體生長(zhǎng)條件進(jìn)行絕妙的控制。天野研究室通過用激光監(jiān)控晶體狀態(tài)來隨時(shí)保持最佳生長(zhǎng)條件，制作了高效率綠色LED。

此前，很多研究人員和企業(yè)都放棄了提高綠色LED的InGaN晶體品質(zhì)。因?yàn)椋?a href="http://www.scotled.com/jiudian.html">酒店led照明，只要晶體生長(zhǎng)時(shí)的溫度稍有偏差，就會(huì)出現(xiàn)In過剩或者不足的情況。

天野研究室采取的是實(shí)時(shí)、詳細(xì)地觀察晶體生長(zhǎng)的方法。在晶體生長(zhǎng)時(shí)邊照射3種波長(zhǎng)的激光，邊觀察晶體狀態(tài)，LED筒燈，根據(jù)情況調(diào)整溫度等生長(zhǎng)條件。天野介紹說，“接下來要對(duì)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析和評(píng)測(cè)”，通過與高效率紅色LED和藍(lán)色LED等組合，“應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)接近300lm/W的效率”（天野）。

新基板蘊(yùn)藏著巨大的可能性

在對(duì)白色LED的要求中，（2）制造成本、（3）高亮度化以及（4）超越顯色指數(shù)和眩光極限的技術(shù)大多都與新基板有關(guān)。這些技術(shù)不使用藍(lán)寶石基板，而是在其他基板上生長(zhǎng)GaN晶體制作LED（圖8）。可以選擇SiC基板、Si基板以及GaN基板等。

圖8：利用不同的基板推進(jìn)開發(fā)

生長(zhǎng)LED用GaN晶體的不同基板種類以及各自的優(yōu)點(diǎn)和課題。Si基板作為大幅降低LED成本的撒手锏受到期待，GaN基板在需要大電流密度的用途備受關(guān)注（a）。藍(lán)寶石基板方面也有人在嘗試采取一些措施，以兼顧發(fā)光效率和大電流密度（b～e）。（圖片由各公司和大學(xué)提供）

這些基板雖然各有各的課題，照明方案，LED照明企業(yè)，但優(yōu)點(diǎn)是都蘊(yùn)藏著能大幅超越以往白色LED技術(shù)的沖擊力，有望開拓LED照明的新用途。

此外，也有想利用藍(lán)寶石基板提高發(fā)光效率和支持大電流密度的研究開發(fā)（圖8（b～d））。這些開發(fā)大多都是在基板上稍微施加一些特殊加工，恒光，目前還沒形成主流技術(shù)，不過為解決存在的課題，正在加速開發(fā)。新基板將在與藍(lán)寶石基板的競(jìng)爭(zhēng)中，加速提高性能。

利用Si基板大幅削減成本

在新基板技術(shù)中，恒光，有望（2）大幅降低制造成本的，是在Si基板上生長(zhǎng)GaN晶體的“GaN on Si”技術(shù)。該技術(shù)最近突然開始受到關(guān)注。