高亮度LED照明領(lǐng)域上的發(fā)展趨勢(shì)

原來(lái)在Ⅲ族氮化物里是不存在單結(jié)晶Bulk，當(dāng)使用藍(lán)寶石基板進(jìn)行hetero-epitaxial生成，轉(zhuǎn)位高密度發(fā)生的根源就在于這種異種基板的使用，當(dāng)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(kāi)發(fā)中，也有一些已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入銷售的階段了。另一方面，與終極基板Bulk基板相對(duì)的，能夠?qū)崿F(xiàn)其類似功能的是Template基板。目前好幾個(gè)業(yè)者都開(kāi)始小量生產(chǎn)，這些雖然沒(méi)有像Bulk基板成本那么高，但是成本也不低，因?yàn)榭紤]到高成本和效率，只能使用在雷射和電子設(shè)備，UV LED等上面。

盡管結(jié)晶缺陷非常多，但是GaN系LED元件為什么能夠達(dá)到高亮度，并且芯片不會(huì)迅速劣化，這些結(jié)構(gòu)現(xiàn)象還是仍舊被工程師與學(xué)者在研究當(dāng)中，但是并沒(méi)有一個(gè)完整的理論出現(xiàn)。所以為了達(dá)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(gòu)造的理想的層構(gòu)成，以及構(gòu)造設(shè)計(jì)。

如果不能實(shí)現(xiàn)好的長(zhǎng)晶　一切都是白費(fèi)功夫

結(jié)晶生成對(duì)于LED元件制造來(lái)說(shuō)，是相當(dāng)關(guān)鍵的技術(shù)，同時(shí)也是高效率化研發(fā)的關(guān)鍵。無(wú)論怎么好的結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)，如果不能實(shí)現(xiàn)好的長(zhǎng)晶，一切都是白費(fèi)功夫。在初期，量產(chǎn)的GaN LED是face-up型的元件，在p側(cè)的接觸電極是采用透光性的薄膜電極，透過(guò)這個(gè)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(shí)際的透光度并不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，因?yàn)橥ㄟ^(guò)電極的光系數(shù)，或者反射而無(wú)法散發(fā)出的光相當(dāng)?shù)亩?，使得發(fā)光效率一直無(wú)法獲得提升。因此隨后研發(fā)人員考量，因?yàn)閒ace-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(lán)寶石基板側(cè)發(fā)出，來(lái)提高發(fā)光通量。

通常的LED芯片有必要透過(guò)有機(jī)材料來(lái)固定，往往伴隨著這種封裝材料的熱量出現(xiàn)，會(huì)使得光的質(zhì)量出現(xiàn)劣化，產(chǎn)生光輸出降低的問(wèn)題。另一方面flip-chip的封裝之所以可以達(dá)到高發(fā)光效率，因?yàn)槭菍⒔Y(jié)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(jié)晶層內(nèi)的熱量排除，而且因?yàn)椴恍枰B接材料，所以穩(wěn)定性也相當(dāng)高，用來(lái)作為照明用的大電流、大型元件，這是非常好的封裝設(shè)計(jì)。

圖說(shuō)：Flip Chip的封裝之所以可以達(dá)到高發(fā)光效率，因?yàn)槭菍⒔Y(jié)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(jié)晶層內(nèi)的熱量排除。（資料來(lái)源：CREE）

提高電極的可視光透過(guò)率　增加光通量

最近也有工程師開(kāi)始利用ITO作為透明導(dǎo)電膜，這是因?yàn)镮TO電極的可視光透過(guò)率非常高，而且電極材料自身也不大會(huì)出現(xiàn)光吸收現(xiàn)象而造成光損耗，而且在光學(xué)設(shè)計(jì)上，本身折射率是GaN折射率和Mold材料樹(shù)脂的中間值，所以能夠大幅增加輸出效率。因?yàn)镚aN系結(jié)晶折射率很高，所以在LED元件結(jié)晶內(nèi)部發(fā)出的光，并沒(méi)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(lán)寶石基板界面的臨界角是47度，p-GaN層／mold材料的epitaxial樹(shù)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?qū)l(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(gòu)造逐漸固定化之后的一兩年，關(guān)于這一方面的討論相當(dāng)多，包括了n-GaN層／藍(lán)寶石基板界面以及p-GaN層表面等等。在n-GaN層／藍(lán)寶石基板界面上，最有代表性的研究是透過(guò)界面加工，制造出光學(xué)的凹凸，并且在所形成凹凸的藍(lán)寶石基板上生成結(jié)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(jié)晶生成初期，在加上促進(jìn)水平方向長(zhǎng)成，就能夠減少結(jié)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(kāi)發(fā)，當(dāng)藍(lán)寶石基板上進(jìn)行長(zhǎng)晶后，除去藍(lán)寶石基板以及物件界面的技術(shù)。這是因?yàn)樵诮Y(jié)晶生成后會(huì)形成反射性的電極，在這個(gè)電極上結(jié)合基板材料，然后再用雷射lift-off法除去藍(lán)寶石基板，在露出的n-GaN層上形成n接觸電極，當(dāng)然這樣的話，n-GaN層／mold樹(shù)脂間界面的臨界角會(huì)比較小，使得光輸出效率非常差，為了克服這一個(gè)缺點(diǎn)，就必須在n-GaN表面增加光學(xué)的設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)和生產(chǎn)的自由度都很高，所以可能會(huì)有很大幅度的輸出效率提高，也會(huì)有flip chip的優(yōu)點(diǎn)。

在p-GaN層表面技術(shù)方面，目前有相當(dāng)多業(yè)者投入開(kāi)發(fā)Photonic結(jié)晶技術(shù)，所謂的Photonic結(jié)晶就是在光的波長(zhǎng)周期性擁有折射率分布的構(gòu)造，能夠?qū)崿F(xiàn)一般物質(zhì)空間種無(wú)法實(shí)現(xiàn)的光的應(yīng)用。將p-GaN層進(jìn)行蝕刻制程，在最表面形成Photonic結(jié)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(xì)制程技術(shù)，而且在對(duì)p-GaN層加工時(shí)，會(huì)造成p-GaN層破壞，所以目前還是停留在研發(fā)的階段。Photonic結(jié)晶技術(shù)被發(fā)現(xiàn)后，在各領(lǐng)域的應(yīng)用有著相當(dāng)令人激賞的表現(xiàn)，一直是倍受研發(fā)者所關(guān)心的一項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)槎嗍瞧谕軌蚧乇苋諄喕瘜W(xué)的藍(lán)光LED加螢光粉制技術(shù)專利。

其它的高效率化技術(shù)

利用增加電流也可以達(dá)到高亮度，但是單純的將元件大型化，透過(guò)提高電流實(shí)現(xiàn)高光度的話，是不能提高效率的，因?yàn)殡m然將LED變的更亮，但是耗電量也隨之增加，并且也會(huì)損及LED的使用壽命，但是可以透過(guò)減少元件的熱負(fù)荷，來(lái)進(jìn)一步提高發(fā)光效率，因?yàn)榧词故且话愠叽绲腖ED，可以因?yàn)樵诜庋b基板上使用熱傳導(dǎo)性好的材料，來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率化。GaN LED相關(guān)的研發(fā)，已經(jīng)將基板的結(jié)構(gòu)發(fā)展的相當(dāng)成熟，接下來(lái)進(jìn)一步的就是開(kāi)發(fā)出新一代高效率LED。因?yàn)槟壳癎aN LED的內(nèi)部發(fā)光效率已經(jīng)到達(dá)相當(dāng)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?qū)崿F(xiàn)新一代設(shè)計(jì)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(wèn)題，相信新一代的超高亮度LED的量產(chǎn)時(shí)代已經(jīng)不遠(yuǎn)了，同時(shí)也縮短了照明領(lǐng)域應(yīng)用的時(shí)間距離。