可降低高固態(tài)照明成本的硅替代方案

當(dāng)今高亮度LED的主導(dǎo)技術(shù)是藍(lán)寶石或碳化硅（SiC）基板上的氮化鎵（GaN）。這些材料很受歡迎，因?yàn)楹铣傻腖ED明亮，高效，并且使用壽命長(zhǎng)。然而，這些芯片很難制造并封裝成可用的器件，從而使用它們作為光引擎的最終產(chǎn)品的成本倍增。雖然近年來(lái)價(jià)格大幅下跌，但LED照明的購(gòu)買(mǎi)成本仍然遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)替代品。這一初始費(fèi)用被認(rèn)為是減緩固態(tài)照明（SSL）接受度的一個(gè)主要因素。

一批先鋒制造商一直在努力通過(guò)更換藍(lán)寶石來(lái)降低大功率LED的成本，具有硅（Si）的SiC襯底，該材料通常用于制造大多數(shù)電子芯片（“IC”）。主要優(yōu)勢(shì)在于極低成本的晶圓供應(yīng)以及使用折舊的8英寸晶圓廠進(jìn)行LED制造的機(jī)會(huì)。這些概念相結(jié)合，可以大幅降低LED價(jià)格，克服消費(fèi)者的反對(duì)意見(jiàn)。

最初，技術(shù)挑戰(zhàn)限制了GaN-on-Si LED的性能，使其對(duì)主流照明沒(méi)有吸引力?，F(xiàn)在，一些制造商，特別是東芝，推出了新一代的這些LED，并以極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格大幅提升了性能，使其成為許多應(yīng)用中傳統(tǒng)設(shè)備的可行替代品。

本文回顧了開(kāi)發(fā)硅基板LED，描述了最新一代的商用設(shè)備。

降低LED的成本

雖然需要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間和數(shù)百萬(wàn)美元的R＆amp; D資金，現(xiàn)代化當(dāng)考慮初始購(gòu)買(mǎi)價(jià)格，能耗和壽命等因素來(lái)確定“擁有成本”時(shí)，LED是用于主流照明的傳統(tǒng)光源（如白熾燈泡，熒光燈管和鹵素?zé)簦┑慕?jīng)濟(jì)型替代品。

分析師麥肯錫公司最近的一份報(bào)告 1 公司得出結(jié)論，到2016年（取決于LED的價(jià)格持續(xù)下降的速度），與緊湊型熒光燈（CFL）相比，LED燈具的投資回報(bào)（由于運(yùn)行成本更低，壽命更長(zhǎng)）將抵消最初的更高購(gòu)買(mǎi)價(jià)格在1.7到3。9年之間。 2011年的相應(yīng)計(jì)算得出了大約14年的數(shù)字。 （圖1）

圖1：住宅區(qū)LED燈泡與CFL燈泡的投資回收期（暗線(xiàn)代表基本情況，較輕線(xiàn)代表更快的LED價(jià)格侵蝕）。 （由McKinsey＆amp; Company提供）

不幸的是，同一份報(bào)告的結(jié)論是，盡管2015年照明應(yīng)用中LED的市場(chǎng)份額攀升至45％左右，“LED照明產(chǎn)品的價(jià)格溢價(jià)仍然存在在考慮對(duì)普通照明應(yīng)用進(jìn)行初期投資時(shí)，最初的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格對(duì)決策者來(lái)說(shuō)是一個(gè)重大障礙。“

考慮到像飛利浦這樣的LED燈更換時(shí)，這種沉默也許并不令人驚訝。 W（白熾燈）等效PAR38 LED燈泡的零售價(jià)為22美元，相比同一公司的100 W等效T2 Twister CFL為12美元，相當(dāng)于100 W等效EcoSmart鹵素?zé)襞轂?美元。

LED成本的關(guān)鍵因素?zé)襞菔荓ED芯片本身。每個(gè)LED燈泡通常包括六個(gè)，八個(gè)或十個(gè)LED芯片的陣列，每個(gè)LED芯片在復(fù)雜的晶片制造工藝中由特殊材料制成，然后以三步或四步組裝操作昂貴地封裝。用更便宜的替代品取代材料和制造成本將大大降低LED的初始購(gòu)買(mǎi)價(jià)格，從而促進(jìn)更快速的采用。

硅替代方案

電子革命建立在硅片上;一種穩(wěn)定，廉價(jià)，豐富的半導(dǎo)體，易于生長(zhǎng)成晶體，切割成晶圓，并采用CMOS工藝將每個(gè)晶圓轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)千個(gè)IC。此外，在晶圓廠大量投資以大規(guī)模生產(chǎn)此類(lèi)芯片，將單位成本降低至僅為美分。

最近，芯片制造商已采用更高效的晶圓制造工藝，采用12英寸（300毫米）晶圓作為原材料，取代了舊的8英寸（200毫米）晶圓。因此，全球有超過(guò)8英寸的容量，一些人認(rèn)為可以轉(zhuǎn)向LED制造，大大降低了最終產(chǎn)品的價(jià)格。

大多數(shù)現(xiàn)代LED都是由GaN的組合，其特征在于在藍(lán)寶石襯底上具有適合于在光譜的可見(jiàn)部分發(fā)射光子的帶隙。 GaN薄膜通過(guò)稱(chēng)為外延的工藝生長(zhǎng)，其通過(guò)在襯底上沉積連續(xù)層來(lái)建立LED的有源區(qū)。一個(gè)缺點(diǎn)是GaN和藍(lán)寶石襯底之間的晶格間距（晶體結(jié)構(gòu)中的各個(gè)原子之間的單位距離）之間的不匹配，這導(dǎo)致有源區(qū)域中的微觀缺陷。這些缺陷，也稱(chēng)為穿透位錯(cuò)，都會(huì)影響LED的發(fā)光度和壽命。

SiC具有與藍(lán)寶石更緊密匹配的晶體結(jié)構(gòu)，降低了缺陷密度，提高了效率和壽命。至少一個(gè)，有時(shí)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 （參見(jiàn)TechZone文章“材料和制造改進(jìn)提高LED效率。”）

藍(lán)寶石和SiC不僅生產(chǎn)成本高，而且難以在大于4英寸（100毫米）的晶圓上可靠地制造直徑。除了更便宜和更容易使用外，8英寸硅晶片的加工時(shí)間僅比4英寸的晶圓要長(zhǎng)一些。最終結(jié)果是工廠的生產(chǎn)量可以翻兩番（8英寸晶圓的表面積是4英寸晶圓的4倍（圖2），同時(shí)削減了材料和加工成本。

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圖2：2英寸，4英寸，6英寸和8英寸晶圓的比較。

然而，切換到硅作為基板對(duì)于LED來(lái)說(shuō)，存在著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，其中最主要的是硅的晶體結(jié)構(gòu)與GaN的偏差甚至比藍(lán)寶石更糟糕。更糟糕的是，硅與GaN的熱膨脹系數(shù)差別很大。這兩個(gè)因素導(dǎo)致嚴(yán)重在制造過(guò)程中，拉伸應(yīng)力被加入到晶圓中，隨著晶圓冷卻，導(dǎo)致微裂紋。如果有的話(huà)，裂紋LED的功能很差。更糟糕的是，硅是一種非常好的光子吸收體，它應(yīng)該逃逸并有助于LED的發(fā)光度因此，早期GaN-on-Si LED的光提取率為其四分之一到三分之一來(lái)自藍(lán)寶石上的同類(lèi)器件（參見(jiàn)TechZone文章“硅襯底將LED照明推向主流嗎？”）

一些先鋒公司堅(jiān)持他們的開(kāi)發(fā)計(jì)劃，而GaN-on-Si LED仍然落后于藍(lán)寶石上GaN或on-SiC LED的發(fā)光度，功效和長(zhǎng)壽命，今天的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的器件不會(huì)受到早期器件性能不佳的影響，而且成本只是其成本的一小部分。常規(guī)LED。

第二代硅

隨著傳統(tǒng)LED的穩(wěn)步改進(jìn)（同時(shí)減少了匹配單個(gè)白熾燈或熒光燈泡輸出所需的LED數(shù)量）新的市場(chǎng)為“中檔”LED開(kāi)辟了新的市場(chǎng)。中檔芯片無(wú)法與當(dāng)今高端設(shè)備的性能相媲美，而是以預(yù)算價(jià)格提供合理的性能（例如，提供相當(dāng)于兩三年前頂級(jí)規(guī)格芯片的亮度和壽命）（參見(jiàn)TechZone文章） “中功率LED為照明應(yīng)用提供了更便宜的替代方案”。）

中檔市場(chǎng)的增長(zhǎng)為GaN-on-Si芯片開(kāi)辟了機(jī)會(huì)。今天的硅基板LED的性能很容易與中等藍(lán)寶石上GaN或碳化硅上的相匹配，同時(shí)削弱了后者的價(jià)格。

東芝（最初與Bridgelux合資，但是后來(lái)買(mǎi)下了合作伙伴在該合資企業(yè)中的份額）是供應(yīng)GaN-on-Si LED的商業(yè)領(lǐng)跑者之一。

東芝對(duì)于如何解決GaN和Si之間晶格和熱失配的技術(shù)難題并且?guī)缀鯖](méi)有公開(kāi)聲明是可以理解的，但在被收購(gòu)之前，Bridgelux確實(shí)揭示了“拉伸”使用專(zhuān)有緩沖層（在GaN和硅之間）解決了應(yīng)變問(wèn)題?！?/p>

有關(guān)東芝研究的更多信息可在科學(xué)論文中找到。 2006年2月發(fā)表的一個(gè)例子 2 描述了東芝研究人員如何通過(guò)使用“立方SiC”作為中間層來(lái)抑制通常困擾硅上GaN外延的裂紋產(chǎn)生。立方SiC的晶格常數(shù)約為GaN和硅之間的一半，有助于減輕原本會(huì)產(chǎn)生的應(yīng)力，并導(dǎo)致GaN和硅的鄰接層之間產(chǎn)生裂縫。

研究人員報(bào)告稱(chēng)，1μm層在傳統(tǒng)的8英寸硅晶片上面的SiC足以抑制有源GaN層中的裂縫。雖然比在“裸”硅上沉積GaN稍貴，但該工藝仍然比制造藍(lán)寶石或SiC晶圓便宜得多，因?yàn)樗匀唤⒃诹畠r(jià)的硅制造工藝之上。

東芝也聲稱(chēng)其GaN -on-Si工藝有助于直接從晶圓生產(chǎn)大型“體積發(fā)射”單LED芯片，而無(wú)需經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的LED組裝工藝（圖3）。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省更多成本，單個(gè)LED可以與日益流行的板上芯片（CoB）陣列競(jìng)爭(zhēng) - 這些產(chǎn)品包含預(yù)先組裝成一個(gè)單元的多個(gè)傳統(tǒng)LED（參見(jiàn)TechZone文章“The Rise of板上芯片LED模塊“）。

圖3：東芝的GaN-on-Si工藝使封裝的體積發(fā)射器LED能夠直接切割來(lái)自晶圓，無(wú)需經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的包裝工藝 3 。 （由Toshiba提供）

可用產(chǎn)品

東芝于2012年底首次推出一系列GaN-on-Si產(chǎn)品.TL1F1 1 W LED交付112 lm（功效112 lm）/W，電壓為2.9 V，電流為350 mA），用于冷白（5000 K）設(shè)備。

十個(gè)月后，該公司宣布修訂范圍（TL1L3系列） - 最新的商業(yè)產(chǎn)品，可提供135 lm（135 lm/W，2.85 V，350 mA）。然后，在2015年初，該公司發(fā)布了TL1L4系列的樣品量，它聲稱(chēng)其性能比上一代GaN-on-Si器件高出60％。頂級(jí)產(chǎn)品是1 W，冷白色（5000 K，顯色指數(shù)（CRI）70）產(chǎn)品，可提供160 lm（160 lm/W，2.8 V，350 mA）。其他型號(hào)可在2700至6500 K的溫度范圍內(nèi)使用。芯片采用3.5 x 3.5 mm封裝（圖4）。

圖4：Si LED上的TL1L4系列GaN承諾從3.5 x 3.5 mm封裝的160 lm。

TL1L4系列的性能與批量生產(chǎn)的高端傳統(tǒng)產(chǎn)品相當(dāng)，例如Cree的XLamp XM-L2（155 lm/W，2.85 V，700 mA）和OSRAM的OSLON Square（163 lm）/W，3.05 V，700 mA）。東芝的產(chǎn)品實(shí)際上提供比具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的中檔設(shè)備更好的性能，如Cree的Xlamp MX-3S（85 lm/W，10.7 V，115 mA）和Philips Lumileds的Luxeon 3535L（121 lm/W，3.05 V，100 mA）只有當(dāng)芯片的結(jié)溫保持在150°C以下時(shí)，TL1L4產(chǎn)品才能以1 A或甚至1.5 A的正向電流工作，從而獲得更高的發(fā)光度（以降低功效為代價(jià)）。

東芝解釋說(shuō)，TL1L4系列的性能水平使其適用于主流照明應(yīng)用，如家用筒燈，路燈和泛光燈。

補(bǔ)充技術(shù)

目前，照明消耗的能源約占全球能源的19％。據(jù)估計(jì)，大規(guī)模采用LED將使其減少四分之三，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩男?。雖然價(jià)格自然會(huì)繼續(xù)下降，但像東芝那樣高性能但成本相對(duì)較低的GaN-on-Si LED的供應(yīng)有望加速這一過(guò)程，并使照明工程師能夠提供SSL解決方案，以克服消費(fèi)者對(duì)高初始值的反對(duì)意見(jiàn)購(gòu)買(mǎi)價(jià)格。

這種替代技術(shù)不可能超越當(dāng)代高端設(shè)備;但它確實(shí)提供了現(xiàn)有技術(shù)的補(bǔ)充 - 專(zhuān)利問(wèn)題 - 可以被其他公司接收，產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，推動(dòng)價(jià)格更低，并增加SSL在照明市場(chǎng)的份額。