隨著LED性能持續(xù)地提高，應用市場也隨之急速擴大，隱藏在背后的原因是使用GaN、AllnGaP發(fā)光材料的高輝度LED，擁有著長壽命、省電、耐震、低電壓驅動等優(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市場的發(fā)展，將會更快速與廣泛的成長。
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所期望著，同時也刺激了業(yè)者迅速研發(fā)相關的技術。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用內(nèi)裝照明，單單是這些市場就已經(jīng)占了LED整體銷售量的25％左右。
另一方面關于照明應用的部份，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。所以對于新一代節(jié)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，無法像電燈泡或者螢光燈那樣，只用一個就能得到使用環(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，驅動電路比較復雜，后者單芯片型的話，LED只有1種，電路設計比較容易。單芯片型進一步分成兩類，一類是發(fā)光源使用藍光LED，另一類是使用近紫外和紫外光�，F(xiàn)在，市場上的白光LED大多數(shù)是藍光LED配合YAG螢光粉。
在過去，只有藍光LED使用GaN做為基板材料，但是現(xiàn)在從綠光領域到近紫外光領用的LED，也都開始使用GaN化合物做為材料了。并且伴隨著白光LED應用的擴大，市場對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與業(yè)者所期待的。但是另一方面，演色也將會是一個重要的性能指標，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，為了達到更高效率，如何實現(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)，因此在市場上也展開了激烈的競爭。與初期相比較之下，盡管今天已經(jīng)實現(xiàn)了飛躍性的亮度提升，但是技術上即將面臨更困難的門檻，所以現(xiàn)在不管是學術界，還是企業(yè)界都在集中精力進行技術和研究研發(fā)。以目前GaN LED整體的研發(fā)方向來看，大概分為，大電流化、短波長化，以及高效率化等等的發(fā)展方向。
圖說：至今生產(chǎn)GaN LED的業(yè)者數(shù)量已接近10家。（資料來源：NICHIA）
如何讓LED支持更大的電流
近年來，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30mA的電流，但是這樣的結果還是遠遠無法滿足市場的期望，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，那么緊接下來的工作便是如何讓電流值能夠達到350500mA，因為驅動電壓是3V多，所以就可以有1W的電力能被流進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換成光而形成熱量，因此LED就會出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象，這也會直接影響到LED的演色結果。因為LED元件的基本特性是，如果溫度上升，發(fā)光效率就會下降以及造成演色性偏差，所以如何有效的釋放大量產(chǎn)生熱量的放熱技術成為了關鍵，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題，以目前來說大多是使用有價金屬或者陶瓷。
短波長帶來勵起光的高能量化 提升螢光粉的發(fā)光效率
從藍光開始的GaN LED，目前已經(jīng)成功研發(fā)了高輝度綠光LED，開始雖然也有長波長化的研發(fā)趨勢，但是因為InN的混晶比提高而導致的結晶性惡化，現(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用研發(fā)也開始被考量，所以目前業(yè)界對于短波長的研發(fā)正在積極進行。最近日本一些大學的實驗室已經(jīng)成功地研發(fā)出250nm的LED，不過實用性還是有待思考，因為人眼對于波長的接受度約為380nm，所以波長如果比380nm更短時，是無法生產(chǎn)出可視域內(nèi)的LED，或者會產(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，會因為自身將光吸收而無法將光散發(fā)出去，所以利用AlGaN層為基礎，來構成出全體結構層會有比較好的成果，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LED中結晶缺陷的密度會對光輸出和壽命早成很大的影響。
 如果能夠將上述的三個課題順利的解決，相信利用LED作為一般照明的實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燈（1525lm/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，就成為關鍵的因素。如果充分利用LED的效率，并且能夠實現(xiàn)短波長化的話，利用勵起光的高能量化，相信螢光粉的發(fā)光效率也會大幅攀升。
圖說：如果充分利用LED的效率，并且能夠實現(xiàn)短波長化的話，利用勵起光的高能量化，相信螢光粉的發(fā)光效率也會大幅攀升。（資料來源：NICHIA）
在長晶面得到均一的質量才是關鍵
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。但是往往因為結晶缺陷的因素，嚴重的影響了LED的發(fā)光效率。當GaN長晶時，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(shù)差、熱膨脹系數(shù)的差距，使得長晶方向出現(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LED和雷射二極管時就會成為致命傷。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成方向、另一種是抑制轉位現(xiàn)象的出現(xiàn)。在不讓轉位貫通到長成方向這一方面，可以使用Patterning加工的基板，在垂直長成時，使之往水平方向長成，將缺陷的長成邊朝向水平方向彎曲，垂直方向實現(xiàn)貫通結果，來降低轉位現(xiàn)象，這樣的做法雖然大概能達到107c㎡以下的低轉位，但是實際量產(chǎn)的話，要在長晶面得到均一的質量才是關鍵。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，能夠實現(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)亩啵沟冒l(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％。因此如果能夠將發(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，能夠實現(xiàn)一般物質空間種無法實現(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，如果能夠實現(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。 |
