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高亮度LED的发展趋势

  随著LED性能持续地提高,应用市场也随之急速扩大,隐藏在背后的原因是使用GaN、AllnGaP发光材料的高辉度LED,拥有著长寿命、省电、耐震、低电压驱动等优秀的特色,并且超越灯泡和卤素等,而高发光效率的LED更是在最近几年陆续被研发出来,因此,未来高亮度LED市场的发展,将会更快速与广泛的成长。
  
  其中普及率最明显的就是白光LED,90年代末期在环保节能的背景下更被市场所期望着,同时也刺激了业者迅速研发相关的技术。就目前而言,白光LED主要的应用包括了手机液晶背光照明和车用内装照明,单单是这些市场就已经占了LED整体销售量的25%左右。
  
  另一方面关于照明应用的部份,则处于刚起步的境界。一般建筑物的照明,往往占了整个消耗电力的20%,在日本,90年代已经超过每年1,000亿kWh。所以对于新一代节能型光源的期望相当大,但遗憾的是到目前为止,白光LED还只能够使用在相当小的范围。因为像5mm的小型白光LED,无法像电灯泡或者萤光灯那样,只用一个就能得到使用环境所需的光量。因此如果希望LED能够跨足到建筑照明,在整体技术上则需要更大的突破才行。
  
  高亮度白光LED基本结构
  
  白光LED基本上有两种方式。一种是多芯片型,一种是单芯片型。前者是将红绿蓝三种LED封装在一起,同时使其发光而产生白光,后者是把蓝光或者紫光、紫外光的LED作为光源,在配合使用萤光粉发出白光。前者的方式,必须将各种LED的特性组合起来,驱动电路比较复杂,后者单芯片型的话,LED只有1种,电路设计比较容易。单芯片型进一步分成两类,一类是发光源使用蓝光LED,另一类是使用近紫外和紫外光。现在,市场上的白光LED大多数是蓝光LED配合YAG萤光粉。
  
  在过去,只有蓝光LED使用GaN做为基板材料,但是现在从绿光领域到近紫外光领用的LED,也都开始使用GaN化合物做为材料了。并且伴随著白光LED应用的扩大,市场对其效能的期待也逐渐增加。从单纯的角度来看,高效率的追求一直都是被市场与业者所期待的。但是另一方面,演色也将会是一个重要的性能指标,如果只是做为显示用途的话,发光色为白色可能就已经足够了,但是从照明的用途来说,为了达到更高效率,如何实现与自然光接近的颜色就显得非常必要了。
  
  GaN作为高亮度LED基材逐渐普及

  
  在技术发展的初期,全球只有23家业者发展及生产GaNLED,但是到今天为止生产业者的数量已经接近10家企业,因此在市场上也展开了激烈的竞争。与初期相比较之下,尽管今天已经实现了飞跃性的亮度提升,但是技术上即将面临更困难的门槛,所以现在不管是学术界,还是企业界都在集中精力进行技术和研究研发。以目前GaNLED整体的研发方向来看,大概分为,大电流化、短波长化,以及高效率化等等的发展方向。
  
  如何让LED支持更大的电流
  
  近年来,业者对于只需一颗就可达到相当亮度的LED研发相当积极,因此在这一方面的技术也就落在如何让LED能够支持更大的电流。通常30u㎡的LED最大可以驱动30mA的电流,但是这样的结果还是远远无法满足市场的期望,所以目标是需要将10倍以上的电流,导通到LED元件中。因此当LED的面积尺寸可以扩充到1m㎡时,那么紧接下来的工作便是如何让电流值能够达到350500mA,因为驱动电压是3V多,所以就可以有1W的电力能被流进1m㎡的芯片面积。
  
  而在发光演色的方面,虽然有这么大的功率输入到GaNLED中,但是所投入电力的四分之三都无法转换成光而形成热量,因此LED就会出现过热的现象,这也会直接影响到LED的演色结果。因为LED元件的基本特性是,如果温度上升,发光效率就会下降以及造成演色性偏差,所以如何有效的释放大量产生热量的放热技术成为了关键,因此将LED装在热传导率大、热容量大的材料上就成了相当重要的问题,以目前来说大多是使用有价金属或者陶瓷。
  
  短波长带来励起光的高能量化提升萤光粉的发光效率
  
  从蓝光开始的GaNLED,目前已经成功研发了高辉度绿光LED,开始虽然也有长波长化的研发趋势,但是因为InN的混晶比提高而导致的结晶性恶化,现在已经逐渐被业界放弃了。另一方面,为了诸如成为雷射代用品等的新型应用研发也开始被考量,所以目前业界对于短波长的研发正在积极进行。最近日本一些大学的实验室已经成功地研发出250nm的LED,不过实用性还是有待思考,因为人眼对于波长的接受度约为380nm,所以波长如果比380nm更短时,是无法生产出可视域内的LED,或者会产生低输出的情况。
  
  为了避免遇到前述的问题,目前大多都采用以下的解决方法:
  
  1。变更发光层结构:不在可视域LED的芯片上采用的GaInN结构,而是采用Eg更大的AlGaN或者AlGaInN。
  
  2。回避光吸收损失:在LED的芯片结构中存在GaN或者GaInM层的话,会因为自身将光吸收而无法将光散发出去,所以利用AlGaN层为基础,来构成出全体结构层会有比较好的成果,或者利用GaN作为重要的n型底层。
  
  3。减少结晶缺陷的:短波长LED中结晶缺陷的密度会对光输出和寿命早成很大的影响。
  
  如果能够将上述的三个课题顺利的解决,相信利用LED作为一般照明的实用距离又能大幅度的缩短。以目前来说,GaN白光LED的效率已经可以超过了白热电灯泡和卤素灯(1525lm/W),但是为了能够超过拥有压倒性光亮输出相大的日光灯(5080lm/W以上),就需要更大幅的效率提高和光量的飞跃性增加。为了能达到与日光灯相同的光源特性,利用萤光粉发光的混色形成的白光化技术,就成为关键的因素。如果充分利用LED的效率,并且能够实现短波长化的话,利用励起光的高能量化,相信萤光粉的发光效率也会大幅攀升。
  
  在长晶面得到均一的质量才是关键

  
  所谓的内部发光效率是指电子变换成内光的比例。可以说是LED中心部份的发光效率。但是往往因为结晶缺陷的因素,严重的影响了LED的发光效率。当GaN长晶时,因为使用在基板上的蓝宝石基板和GaN单结晶件的格子定数差、热膨胀系数的差距,使得长晶方向出现了非常高密度的迁移缺陷。
  
  一般来说所产生的密度是在109c㎡以上,这样的密度如果是出现在短波长LED和雷射二极管时就会成为致命伤。为了减少这种转位密度的方法大致上有2种,一种是不让转位贯通到长成方向、另一种是抑制转位现象的出现。在不让转位贯通到长成方向这一方面,可以使用Patterning加工的基板,在垂直长成时,使之往水平方向长成,将缺陷的长成边朝向水平方向弯曲,垂直方向实现贯通结果,来降低转位现象,这样的做法虽然大概能达到107c㎡以下的低转位,但是实际量产的话,要在长晶面得到均一的质量才是关键。后者的方法是将结晶缺陷密度低的Ⅲ族氮化物(nitride)基板,或者低缺陷的Ⅲ族氮化物使用在已经成膜的基板上。
  
  原来在Ⅲ族氮化物里是不存在单结晶Bulk,当使用蓝宝石基板进行hetero-epitaxial生成,转位高密度发生的根源就在于这种异种基板的使用,当然使用Bulk基板是最佳的解决方法。因此,在各种制作方法上的研发、量产化都在积极的开发中,也有一些已经开始进入销售的阶段了。另一方面,与终极基板Bulk基板相对的,能够实现其类似功能的是Template基板。目前好几个业者都开始小量生产,这些虽然没有像Bulk基板成本那么高,但是成本也不低,因为考虑到高成本和效率,只能使用在雷射和电子设备,UVLED等上面。
  
  尽管结晶缺陷非常多,但是GaN系LED元件为什么能够达到高亮度,并且芯片不会迅速劣化,这些结构现象还是仍旧被工程师与学者在研究当中,但是并没有一个完整的理论出现。所以为了达到材料最大的限度,发挥出GaN的极限,就有必需确定发光构造的理想的层构成,以及构造设计。
  
  如果不能实现好的长晶一切都是白费功夫
  
  结晶生成对于LED元件制造来说,是相当关键的技术,同时也是高效率化研发的关键。无论怎么好的结构层设计,如果不能实现好的长晶,一切都是白费功夫。在初期,量产的GaNLED是face-up型的元件,在p侧的接触电极是采用透光性的薄膜电极,透过这个薄膜电极发光,而材料上则是使用Au合金电极,但是虽然具有透光性的特性,但是实际的透光度并不能满足实际应用的需求,因为通过电极的光系数,或者反射而无法散发出的光相当的多,使得发光效率一直无法获得提升。因此随后研发人员考量,因为face-up型的LED元件反射率很高,必须采用稳定性高的材料作为电极,将光从蓝宝石基板侧发出,来提高发光通量。
  
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