高亮度LED照明领域上的发展趋势

      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GaN LED，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。

图说：至今生产GaN LED的业者数量已接近10家。（资料来源：NICHIA）

      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。

      图说：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。（资料来源：NICHIA）

     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，UV LED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GaN LED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。

      通常的LED芯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，会使得光的质量出现劣化，产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，因为是将结晶层置于下方，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。

图说：Flip Chip的封装之所以可以达到高发光效率，因为是将结晶层置于下方，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。（资料来源：CREE）

    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／蓝宝石基板界面的临界角是47度，p-GaN层／mold材料的epitaxial树脂界面的临界角是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，关于这一方面的讨论相当多，包括了n-GaN层／蓝宝石基板界面以及p-GaN层表面等等。在n-GaN层／蓝宝石基板界面上，最有代表性的研究是透过界面加工，制造出光学的凹凸，并且在所形成凹凸的蓝宝石基板上生成结晶。界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界面的技术。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树脂间界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，因为设计和生产的自由度都很高，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周期性拥有折射率分布的构造，能够实现一般物质空间种无法实现的光的应用。将p-GaN层进行蚀刻制程，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制程技术，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，因为多是期望能够回避日亚化学的蓝光LED加萤光粉制技术专利。

      其它的高效率化技术

      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平，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的量产时代已经不远了，同时也缩短了照明领域应用的时间距离。