宾夕法尼亚州立大学徐群团队开发出交流驱动LED-电子工程世界

宾夕法尼亚州立大学的工程师们展示了一种使用行业标准制造工艺将氮化镓LED及其电源电路集成到同一芯片上的实用方法。其结果是照明芯片，直接从由插座提供的交流电源运行，无需在单独的硅芯片和其他组件上将电力转换为低压直流电的中间步骤。

据领导这项研究的宾州州立大学工程教授徐建介绍，将LED的驱动系统集成到氮化镓芯片上，可以降低LED照明的制造成本以及照明维护成本。他说，LED灯泡的60%成本来自驱动电子装置。而且，由于这些硅驱动器电子器件通常不如氮化氢电池坚固，因此它们往往在 LED 坏掉之前出现故障。

LED 灯中现有的驱动器电路具有三个主要功能：将交流电转换为直流（整流），平滑产生的直流中的纹波，并将电压降至更有利于 LED 的水平。

徐群构建的片上驱动系统只执行第一功能（整流），同时无需第三个功能（降低电压）。

该驱动器由四个肖特基阻隔二极管（SBD）组成，它们排列在桥接整流器电路中。SBD 是由金属和半导体之间的结点形成的二极管。它们在电力电子器件中很常见，因为它们具有低正向电压降。氮化氢是一种特别好的材料，因为它具有高分解电压;防止电流反向流动。

为了获得正确的到LED电压，器件作为阵列构建，并以每整流器22至40像素的链条级联。这样，总电压降是110-120 V，但每个LED像素只分配到到几个伏特。

使用原型集成芯片的白色 LED 灯每瓦产生可敬的 89 流明。但是，由于 SBD 电桥输出的 AC 输入的校正版本，而不是大致恒定的电压，因此 LED 具有 120 赫兹闪烁，这使得它更适合室外照明应用，例如停车场和道路的灯具，低维护成本至关重要，但轻质量不太重要。

集成 LED 灯的驱动器电路似乎是一个显而易见的想法，但直到最近，它一直遥不可及。"氮化铀是一种相当新的材料系统，"徐说。"这项技术最近才成熟，这就是为什么在单个芯片上集成是一个非常新的想法。以前的尝试要求使用专用的 LED 结构或制造工艺，这些结构过于复杂，无法扩展或对 LED 效率造成太大损害。

解决最后一个问题是徐实验室取得成功的关键。在硅芯片制造中，蚀刻材料形成器件可以通过"湿"化学，如氢氟酸处理。但是，氮化铀太难了，不能工作，徐解释道。因此，改为使用"干蚀刻"（电感耦合等离子蚀刻）。不幸的是，这个过程可能会在表面上留下效率的削弱缺陷。

"我们花了两年时间尝试使用混合蚀刻技术减少缺陷"，徐建解释道，虽然湿蚀刻不够坚固，无法去除大部分半导体表面，但只要时间，它可以帮助去除干蚀刻留下的有缺陷的层。他的团队最终找到了一系列干蚀刻和湿蚀刻，生产出低缺陷、高质量的设备。更妙的是，这种"循环蚀刻"程序可以用来提高显示器的微LED的效率。

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