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)布時間:2014-06-30
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多色LED達到400lm/W
科銳公司的技術(shù)還存在“謎團”。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））。對此，認為“應(yīng)該是采用了與藍色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
以不同方式實現(xiàn)的白色LED的發(fā)光效率理論極限。在以往的組合藍色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)光效率可達到400lm/W左右。（圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的資料制作）
實際上，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）和藍色（B）光的LED來形成白色光，還有望實現(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)的時間變化來控制各LED的驅(qū)動電流。
第二，與紅色和藍色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)光波長實現(xiàn)的。但生長晶體時非常難控制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LED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”。針對存在課題的綠色發(fā)光改進了方法，建筑照明，確保了所需的發(fā)光效率。這是通過組合藍色LED與自主開發(fā)的高效率綠色熒光材料實現(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)的時間變化來控制各LED驅(qū)動電流的機制，從而能一直保持白色狀態(tài)。利用該機制，還實現(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LED照明的重要附加值提供。估計這是打算重新構(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）高達約60％的綠色LED已有眉目達成極高的效率。而在此之前，EQE最高只有20％左右。
圖7：將實現(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，需要對溫度等晶體生長條件進行絕妙的控制。天野研究室通過用激光監(jiān)控晶體狀態(tài)來隨時保持最佳生長條件，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)。因為，酒店led照明，只要晶體生長時的溫度稍有偏差，就會出現(xiàn)In過�；蛘卟蛔愕那闆r。
天野研究室采取的是實時、詳細地觀察晶體生長的方法。在晶體生長時邊照射3種波長的激光，邊觀察晶體狀態(tài)，LED筒燈，根據(jù)情況調(diào)整溫度等生長條件。天野介紹說，“接下來要對結(jié)果進行詳細分析和評測”，通過與高效率紅色LED和藍色LED等組合，“應(yīng)該能實現(xiàn)接近300lm/W的效率”（天野）。
新基板蘊藏著巨大的可能性
在對白色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)不使用藍寶石基板，而是在其他基板上生長GaN晶體制作LED（圖8）�？梢赃x擇SiC基板、Si基板以及GaN基板等。
圖8：利用不同的基板推進開發(fā)
生長LED用GaN晶體的不同基板種類以及各自的優(yōu)點和課題。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)點是都蘊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)。新基板將在與藍寶石基板的競爭中，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。