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高亮度LED製程发展趋势和高效率化技术

高亮度LED製程发展趋势和高效率化技术

  • 分类:LED资讯
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  • 来源:
  • 发布时间:2012-09-01 12:30
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【概要描述】

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   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灯珠, 90年代末期在环保节能的背景下更被市场所期望著,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.

  另一方面关於照明应用的部份,则处於刚起步的境界.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.所以对於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.一种是多晶片型,一种是单晶片型.前者是将红绿蓝三种LED封装在一起,同时使其发光而產生白光,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,后者单晶片型的话,LED只有1种,电路设计比较容易.单晶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顏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2∼3家业者发展及生產GaN LED,但是到今天为止生產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,儘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GaN LED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支援更大的电流

  近年来,业者对於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能够支援更大的电流.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,那麼紧接下来的工作便是如何让电流值能够达到350∼500mA,因为驱动电压是3V多,所以就可以有1W的电力能被流进1m㎡的晶片面积.

  而在发光演色的方面,虽然有这麼大的功率输入到GaN LED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產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GaN LED,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,所以目前业界对於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,因为人眼对於波长的接受度约为380nm,所以波长如果比380nm更短时,是无法生產出可视域内的LED,或者会產生低输出的情况.

为了避免遇到前述的问题,目前大多都採用以下的解决方法:

  1.变更发光层结构:不在可视域LED的晶片上採用的GaInN结构,而是採用Eg更大的AlGaN或者AlGaInN.

  2.回避光吸收损失:在LED的晶片结构中存在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(15∼25lm/W),但是为了能够超过拥有压倒性光亮输出相大的日光灯(50∼80lm/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品质才是关键

  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、热膨胀係数的差距,使得长晶方向出现了非常高密度的迁移缺陷.

  一般来说所產生的密度是在109c㎡以上,这样的密度如果是出现在短波长LED和雷射二极体时就会成为致命伤.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,但是实际量產的话,要在长晶面得到均一的品质才是关键.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族氮化物裡是不存在单结晶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於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,在各种製作方法上的研发、量產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產,这些虽然没有像Bulk基板成本那麼高,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,UV LED等上面.

  儘管结晶缺陷非常多,但是GaN系LED元件为什麼能够达到高亮度,并且晶片不会迅速劣化,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

  结晶生成对於LED元件製造来说,是相当关键的技术,同时也是高效率化研发的关键.无论怎麼好的结构层设计,如果不能实现好的长晶,一切都是白费功夫.在初期,量產的GaN LED是face-up型的元件,在p侧的接触电极是採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,因为通过电极的光係数,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,必须採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.

  通常的LED晶片有必要透过有机材料来固定,往往伴随著这种封装材料的热量出现,会使得光的品质出现劣化,產生光输出降低的问题.另一方面flip-chip的封装之所以可以达到高发光效率,因为是将结晶层置於下方,利用bump金属材料封装在基板上,所以能够有效率的把结晶层内的热量排除,而且因为不需要连接材料,所以稳定性也相当高,用来作为照明用的大电流、大型元件,这是非常好的封装设计.

  提高电极的可视光透过率 增加光通量

  最近也有工程师开始利用ITO作为透明导电膜,这是因为ITO电极的可视光透过率非常高,而且电极材料自身也不大会出现光吸收现象而造成光损耗,而且在光学设计上,本身折射率是GaN折射率和Mold材料树脂的中间值,所以能够大幅增加输出效率.因为GaN系结晶折射率很高,所以在LED元件结晶内部发出的光,并没有透出而是在内部反射,最终被材料所吸收.例如n-GaN层/蓝宝石基板介面的临界角是47度,p-GaN层/mold材料的epitaxial树脂介面的临界角是38度,一般LED的输出效率至少是30%.因此如果能够将发光层发出的光全部透出的话,很有可能可以将LED的亮度增加到目前两倍以上.

  LED构造逐渐固定化之后的一两年,关於这一方面的讨论相当多,包括了n-GaN层/蓝宝石基板介面以及p-GaN层表面等等.在n-GaN层/蓝宝石基板介面上,最有代表性的研究是透过介面加工,製造出光学的凹凸,并且在所形成凹凸的蓝宝石基板上生成结晶.介面作成凹凸形状的理由是,这样能够大幅减少全反射损失,如果在结晶生成初期,在加上促进水平方向长成,就能够减少结晶的缺陷,而使得发光效率大幅度的提升.

  另外,也有业者正在开发,当蓝宝石基板上进行长晶后,除去蓝宝石基板以及物件介面的技术.这是因为在结晶生成后会形成反射性的电极,在这个电极上结合基板材料,然后再用雷射lift-off法除去蓝宝石基板,在露出的n-GaN层上形成n接触电极,当然这样的话,n-GaN层/mold树脂间介面的临界角会比较小,使得光输出效率非常差,为了克服这一个缺点,就必须在n-GaN表面增加光学的设计,因为设计和生產的自由度都很高,所以可能会有很大幅度的输出效率提高,也会有flip chip的优点.

  在p-GaN层表面技术方面,目前有相当多业者投入开发Photonic结晶技术,所谓的Photonic结晶就是在光的波长週期性拥有折射率分佈的构造,能够实现一般物质空间种无法实现的光的应用.将p-GaN层进行蚀刻製程,在最表面形成Photonic结晶,能够大幅提高光输出效率,但是这是要求度非常高的微细製程技术,而且在对p-GaN层加工时,会造成p-GaN层破坏,所以目前还是停留在研发的阶段.Photonic结晶技术被发现后,在各领域的应用有著相当令人激赏的表现,一直是倍受研发者所关心的一项技术,因为多是期望能够迴避日亚化学的蓝光LED加萤光粉製技术专利.

  其他的高效率化技术

  利用增加电流也可以达到高亮度,但是单纯的将元件大型化,透过提高电流实现高光度的话,是不能提高效率的,因为虽然将LED变的更亮,但是耗电量也随之增加,并且也会损及LED的使用寿命,但是可以透过减少元件的热负荷,来进一步提高发光效率,因为即使是一般尺寸的LED,可以因为在封装基板上使用热传导性好的材料,来实现高效率化.GaN LED相关的研发,已经将基板的结构发展的相当成熟,接下来进一步的就是开发出新一代高效率LED.因为目前GaN LED的内部发光效率已经到达相当高的水準,但是光输出效率还有很大的空间可以提升,如果能够实现新一代设计的话,可以期待大幅度的光亮度提升成果,虽然有成本,寿命的诸多问题,相信新一代的超高亮度LED的量產时代已经不远了,同时也缩短了照明领域应用的时间距离.

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