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高亮度LED芯片的市场格局及未来发展趋势
发布时间:2014-01-06
    LED市场正处于高速发展的阶段,LED芯片成本的进一步下降将促进半导体照明走入全家万户。由于硅衬底具有成本低、IC厂制造工艺成熟等特点,随着6-12寸大尺寸硅基LED技术的不断发展,硅基LED技术将在降低成本和提高生产效率方面具有巨大的优势,这对于LED产业会产生重大影响。 
    当前,半导体照明市场的进一步发展要求蓝光LED芯片的光效要不断提升,成本要不断下降。目前科锐基于碳化硅的LED芯片已经实现了200lm/w光效产品的量产,研发水平光效可以达到276lm/w。在LED芯片成本下降和光效提升的这一竞赛中,目前正遇到以下几个发展瓶颈。
    第一是蓝光芯片存在的Droop效应。在大电流密度条件下,发光二极管的外量子效率会下降,有试验表明Droop效应是由包括俄歇效应在内的多种原因引起,这个效应限制了蓝光芯片在大电流密度下的使用,从而阻碍了流明成本的下降。
    第二是绿色能隙(Greengap)和红色能隙(Redgap)。当波长从蓝光进入到绿光波段时,LED的量子效率会下降,如530nm的绿光量子效率下降很快;对于红光而言,在深红色光谱中内部量子效率可以达到100%,但对理想白光光源中的橘红色发光波长(如614nm)而言,其效率迅速下降。这些效应限制了绿光和红光芯片的光效提升,延缓了未来的高质量白光的产生。另外,绿光及黄光LED效率也受到本身极化场的冲击,而这个效应会随着更高的铟原子浓度而变得更强。
    第三是外延的异质生长问题。由于外延生长时晶体中存在缺陷,形成大的位错密度和缺陷,从而导致光效下降和寿命下降。目前蓝光芯片无论是碳化硅、蓝宝石、硅衬底技术都是异质外延,在衬底和外延晶体之间存在晶格失配导致位错,同时由于热膨胀系数的差别在外延生长后的降温过程中产生热应力,导致外延层出现缺陷、裂纹、晶片弯曲等。衬底的质量直接影响着外延层的晶体质量,从而影响光效和寿命。如果采用GaN同质衬底进行外延生长,利用非极性技术,可最大限度地减少活性层的缺陷,使得LED芯片的电流密度比传统芯片高5-10倍,大幅提高发光效率。据报道首尔半导体采用同质衬底开发的nPola新产品,与目前的LED相比,在相同面积上的亮度高出了5倍,但GaN同质衬底对于LED而言仍过于昂贵。
    总体而言,在蓝光LED芯片的未来发展上,倒装芯片、高压芯片、硅基芯片等都是未来的主要发展趋势。倒装芯片由于散热好可以增大注入电流,不用打线可以提升产品在应用过程中的可靠性;高压LED芯片由于可以更加匹配供电电压能够提高电源转换效率,再加上定制的IC电源,最适合于LED球泡灯;硅基LED芯片由于可以在6寸或者8寸的硅衬底上进行外延生长,可以大幅度降低LED的成本,从而加速半导体照明应用时代的来临。对于其它颜色而言,红光LED芯片和绿光LED芯片的光效都还有很大的提升空间,随着红光和绿光LED芯片光效进一步的提升,未来白光不一定就是目前的蓝光LED芯片加黄色荧光粉的形式,也可能是RGB或其它的形式,未来白光的封装方式也可能会发生很大的变化。
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