LED照明第二幕（二）绿色LED取得突破，利用Si基板大幅削减成本

文章来源:恒光电器

发布时间:2014-06-30

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 多色LED达到400lm/W

科锐公司的技术还存在“谜团”。该公司2014年3月发布的发光效率303lm/W的白色LED，超过了以往的白色LED技术的发光效率理论极限（图4（a））。对此，认为“应该是采用了与蓝色LED组合黄色荧光材料不同的技术”（某LED技术人员）的看法很多。

图4：改变技术的话，理论极限将超过400lm/W

以不同方式实现的白色LED的发光效率理论极限。在以往的组合蓝色LED和YAG荧光材料的方法中，294lm/W就是极限了，而在组合RGB或者在RGB中添加琥珀色的RGBA发光LED中，理论发光效率可达到400lm/W左右。（图由《日经电子》根据美国标准技术研究所（NIST）的资料制作）

实际上，构造与以往的白色LED不同的技术， LED置换工程，发光效率的理论极限要高得多。若不使用荧光材料，而是组合分别发红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）光的LED来形成白色光，还有望实现409lm/W的超高发光效率（图4（b））。

绿色LED发光效率低

利用多色LED形成白色光的想法以前就有。但其输给了日亚化学工业的技术。主要有两点原因。第一，多色方式要想维持白色，需要根据各色LED发光状态的时间变化来控制各LED的驱动电流。

第二，与红色和蓝色LED相比，店铺照明， led商业照明，绿色LED的发光效率太低（图5）。绿色LED是在GaN中添加铟（In），增加发光波长实现的。但生长晶体时非常难控制In的组成比，无法制作高品质晶体。

图5：RGB和RGBA方式的关键在于提高绿色发光的效率

以RGB等各色发光的LED目前的外部量子效率。紫色和蓝色发光的LED利用InGaN系、黄色和红色发光的LED利用AlGaInP系半导体制作。一直到最近，绿色发光LED在哪种组合的LED中都难以实现高发光效率。（图：名古屋大学天野研究室）

调色功能成为LED照明的轴心

不过，最近出现了重新挑战这种多色LED方式的企业，这就是荷兰皇家飞利浦。该公司采用多色LED方式，于2013年4月开发出了发光效率为200lm/W的直管型LED灯“TLED”。针对存在课题的绿色发光改进了方法，建筑照明，确保了所需的发光效率。这是通过组合蓝色LED与自主开发的高效率绿色荧光材料实现的（图6）。

图6：飞利浦以调色功能为中心开发产品

飞利浦200lm/W的白色直管型LED灯的实现方法（a、b），以及采用RGB等各色发光的LED的可调色LED灯泡（c、d）。黄绿色LED的发光效率高达200lm/W。（图（d）由飞利浦流明提供）

另外，飞利浦还导入了根据各色LED发光状态的时间变化来控制各LED驱动电流的机制，从而能一直保持白色状态。利用该机制，还实现了可选择不同颜色的调色功能。

飞利浦把这种基于多色LED的调色功能与利用通信功能远程控制照明器具的智能照明功能组合在一起，LED天花灯，作为LED照明的重要附加值提供。估计这是打算重新构筑LED照明产品群的战略。2012年10月，该公司上市了可显示1677万色的LED灯泡“hue”。另外还推出了有10多种颜色的LED封装。

绿色LED取得突破

在多色LED方式上，室外照明，还有不依赖荧光材料，而是全力开发高发光效率的绿色LED的的研究者。比如名古屋大学研究生院工学系研究科教授天野浩的研究室（图7）。最近，据称外部量子效率（EQE）高达约60％的绿色LED已有眉目达成极高的效率。而在此之前，EQE最高只有20％左右。

图7：将实现超高效率绿色发光LED

名古屋大学天野研究室等开发的高效率绿色LED的概要。绿色LED采用In含量较多的InGaN晶体，需要对温度等晶体生长条件进行绝妙的控制。天野研究室通过用激光监控晶体状态来随时保持最佳生长条件，制作了高效率绿色LED。

此前，很多研究人员和企业都放弃了提高绿色LED的InGaN晶体品质。因为，酒店led照明，只要晶体生长时的温度稍有偏差，就会出现In过剩或者不足的情况。

天野研究室采取的是实时、详细地观察晶体生长的方法。在晶体生长时边照射3种波长的激光，边观察晶体状态，LED筒灯，根据情况调整温度等生长条件。天野介绍说，“接下来要对结果进行详细分析和评测”，通过与高效率红色LED和蓝色LED等组合，“应该能实现接近300lm/W的效率”（天野）。

新基板蕴藏着巨大的可能性

在对白色LED的要求中，（2）制造成本、（3）高亮度化以及（4）超越显色指数和眩光极限的技术大多都与新基板有关。这些技术不使用蓝宝石基板，而是在其他基板上生长GaN晶体制作LED（图8）。可以选择SiC基板、Si基板以及GaN基板等。

图8：利用不同的基板推进开发

生长LED用GaN晶体的不同基板种类以及各自的优点和课题。Si基板作为大幅降低LED成本的撒手锏受到期待，GaN基板在需要大电流密度的用途备受关注（a）。蓝宝石基板方面也有人在尝试采取一些措施，以兼顾发光效率和大电流密度（b～e）。（图片由各公司和大学提供）

这些基板虽然各有各的课题，照明方案，LED照明企业，但优点是都蕴藏着能大幅超越以往白色LED技术的冲击力，有望开拓LED照明的新用途。

此外，也有想利用蓝宝石基板提高发光效率和支持大电流密度的研究开发（图8（b～d））。这些开发大多都是在基板上稍微施加一些特殊加工，恒光，目前还没形成主流技术，不过为解决存在的课题，正在加速开发。新基板将在与蓝宝石基板的竞争中，加速提高性能。

利用Si基板大幅削减成本

在新基板技术中，恒光，有望（2）大幅降低制造成本的，是在Si基板上生长GaN晶体的“GaN on Si”技术。该技术最近突然开始受到关注。