改进的硅衬底发光二极管地址高固态照明成本

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改进的硅衬底发光二极管地址高固态照明成本

对于今天的高亮度LED的主流技术是氮化镓(GaN)在蓝宝石或碳化硅(SiC)衬底。这些材料很受欢迎，因为所产生的LED灯是光明的，高效的，并且持续很长时间。然而，这些芯片是很难制造和包装成可用设备，乘以使用它们作为光引擎的最终产品的成本。尽管价格暴跌近几年，LED照明仍是相当购买比传统的替代更为昂贵。这个初始费用被认为是一个主要因素放缓的固态照明(SSL)的验收。

制造商是一家具有开创集团一直努力通过与硅(Si)取代蓝宝石或SiC衬底，以降低高功率LED的成本，材料通常用来制造大多数电子芯片(“芯片”)。最关键的好处是非常低价供应晶片，并利用贬值8英寸晶圆厂的LED制造机会。合并后，这些概念能够极大地降低了LED的价格，克服消费者的反对。

最初，技术挑战限于上GaN硅LED的性能，这使得它们没有吸引力为主流照明。现在，一些厂商，特别是东芝已经推出了新一代这些LED具有大大提高性能，在极具竞争力的价格，使之成为一个可行的替代常规的设备在许多应用中。

本文回顾硅衬底LED的开发和描述的最新一代的商业设备。

倒推LED的成本

虽然它采取了许多年，数百万美元的研发经费，现代LED是一种具有成本效益的替代传统光源，如白炽灯泡，荧光灯管，和卤素灯为主流照明时因素，如最初的购买价格，能源消耗，和寿命的考虑，确定“拥有成本。”

最近的一项报告1分析师麦肯锡公司的结论是，到2016年(这取决于如何快速的LED价格继续下跌)，一个LED灯具的回报(由于较低的运行成本和更长的使用寿命)，将抵消较高的初始购买价格相比， 1.7和3.9岁之间的紧凑型荧光灯(CFL)。在2011年相应的计算产生了约14年的数字。 (图1)

LED灯泡与CFL灯泡回收期图片

图1：LED灯泡与CFL灯泡在住宅市场的投资回收期(黑线代表基本情况，更轻的线代表更快的LED价格侵蚀)。 (麦肯锡公司提供)

不幸的是，在同一份报告中得出的结论是，尽管在照明应用攀登LED的市场份额为45%左右，到2015年，“LED照明产品的价格溢价仍然很高，最初的购买价格较显著障碍决策者决策时考虑到普通照明应用的初期投资“。

考虑到LED灯替代，如飞利浦的100 W(白炽灯)，相当于PAR38 LED灯泡零售价为$ 22 $ 12的同一家公司的100瓦相当于T2扭腰CFL和一个100 W当量的EcoSmart $ 6时相比，这沉默也许并不奇怪卤素灯泡。

LED灯泡的成本的一个关键因素是LED芯片本身。每个LED灯泡通常包括的六个，八个，或十个LED芯片，其每一个从特殊材料制造的一个复杂的晶片制造过程，然后昂贵包装在三或四步装配操作的阵列。用更便宜的替代品代替无论是材料和制造成本将大大降低LED的初始购买价格，鼓励更多的快速普及。

硅的替代

在电子革命是建立在硅;一个稳定的，廉价的，丰富的半导体，很容易长成的晶体，片成片，并受到CMOS工艺把每片晶圆到成千上万的IC。此外，巨大的投资已经取得了代工厂大批量生产这种芯片，压低单位成本仅仅美分。

最近，芯片制造商已移动到使用12英寸(300毫米)的晶片为原料的更有效的晶片制造工艺，替换旧8英寸(200毫米)的切片。其结果是，存在过量的世界各地的8英寸容量其中一些建议可转向LED制造，大幅降低了最终产品的价格。

大多数当代LED被从GaN的组合，其特点适于发射在光谱的可见部分的光子，在蓝宝石衬底上的带隙构成。的GaN薄膜通过称为外延的方法，其中建立了LED的有源区由在衬底上连续层沉积生长。一个缺点是在GaN的晶格间距(在晶体结构中的单个原子之间的单位距离)，并在蓝宝石基板这导致在活性区微观缺陷之间的不匹配。这些缺陷，也被称为穿透位错，危及两个LED的亮度和寿命。

碳化硅具有被更紧密匹配的GaN比蓝宝石，减少了缺陷密度，并且由幅度中的至少一个，有时两个数量改善功效和长寿的晶体结构。 (见技术专区的文章“材料和制造的改进提升发光效率。”)

蓝宝石和碳化硅不仅生产成本高，但也难以可靠地制造在晶片上大于4英寸(100毫米)的直径。除了是更便宜和更容易使用，8英寸硅片只需要稍长处理比晶片尺寸为4英寸。最终的结果是，工厂可以生产四倍(8英寸晶片的表面面积是4倍，4英寸1(图2)，而在同一时间削去材料和加工成本。

2-，4-，6-，和8英寸晶片的比较图像

图2：2-，4-，6-比较，以及8英寸晶片。

然而，切换到硅作为衬底用于LED提出严峻的技术挑战。其中最主要的是，硅的晶体结构是一个更糟糕的失配的GaN比蓝宝石。更糟糕的是，硅具有热膨胀的GaN一个非常不同的系数。这两个因素导致被并入到导致微裂纹当晶片冷却制造期间晶片严重的拉伸应力。破解LED功能不佳，如果在所有。更糟糕的是，硅是应该逸出并有助于LED的亮度的光子的一个很好的吸收器。这样一来，从早期的氮化镓上硅LED的光提取是一个季度中，从建立在蓝宝石同类器件三分之一(参见技术专区的文章“将硅衬底推LED照明成主流?”)

一些创业公司都坚持他们的发展计划，并同时氮化镓上硅发光二极管仍然落后的氮化镓上的蓝宝石或碳化硅LED的亮度，效果好，使用寿命长，对今天的实验台设备不从早期设备的性能差遭受并且可以在常规LED的成本的一小部分进行。

第二代硅

如常规LED已经稳步提高(同时减少了所需的单一白炽灯或荧光灯泡的输出相匹配的LED的数目)一个新的市场开辟了“中档”的LED。中档芯片不能满足当今高端设备的性能，而是提供了合理的性能(例如，提供亮度和寿命相当于两三年的最高规格的芯片前)在预算价格(见技术专区文章“中等功率LED可提供较便宜的替代照明应用”)。

中档市场的发展开辟了氮化镓上硅芯片的机会。今天的硅衬底LED的性能可以轻松匹配的中档氮化镓上的蓝宝石或碳化硅，而削弱了后者的价格。

东芝(最初曾与普瑞的合资企业，但后来又买了在合资企业合作伙伴的股份)在氮化镓上硅LED的供应商领先者之一。

东芝是可以理解腼腆它如何解决了GaN和硅之间的晶格和热 - 不匹配的技术难题，并取得了一些公开声明，但被收购之前，普瑞也表明，“拉伸应变的问题是使用专有的解决缓冲层(GaN和硅之间)“。

关于东芝的研究更多相关信息，科学论文可用。发表于2006年2月的一个例题介绍如何东芝公司研究人员抑制裂纹产生，通常困扰氮化镓外延硅采用“立方碳化硅”作为中间层。立方SiC的大约GaN和硅之间的中途的晶格常数，帮助减轻，否则将积聚并导致氮化镓和硅中的邻接层之间开裂的应力。

研究人员报告说，碳化硅上的传统的8英寸硅晶片的顶部上的1微米的层是足以抑制在活性GaN层开裂。虽然略高于沉积氮化镓到“裸”芯片更贵，这个过程还是比制造蓝宝石或SiC晶圆，因为它仍然是建立在廉价的硅制造工艺成本要低得多。

东芝公司还声称，其氮化镓上硅工艺适合于生产大“体积发射”单LED芯片直接从晶圆，而无需经过传统LED的组装过程(图3)。这种技术的优点是更高的成本节约和单一的LED可能日益流行上芯片板(COB)阵列竞争 - 产品，包括多个传统LED预先组装成一个单一的单元(参见技术专区文章“的兴起芯片上的电路板LED模块“)。

东芝的氮化镓上硅处理图像

图3：东芝的氮化镓上硅过程使包装卷 - 发射极LED可直接从晶片切割，而不需要经过一个传统的包装process3。 (东芝提供)

现有产品

东芝首次推出了一系列的氮化镓上硅产品在2012年底的TL1F1 1瓦LED提供112流明(112流明/瓦的功效，在2.9伏的电压和350 mA的电流)为冷白色( 5000 K)的装置。

十个月后，该公司公布了修订后的范围(TL1L3家庭) - 最新的商用产品开始批量供货 - 它提供了135流明(135流明/瓦，2.85 V，350毫安)。然后，在2015年年初，公司发布了TL1L4家庭，它声称代表从上一代的氮化镓上硅器件60%的性能跳跃的样品体积。顶部的范围是1瓦，冷白光(5000 K，显色指数(CRI)70)的产品，提供160流明(160流明/瓦，2.8V，350 mA)的。其它变体可横跨2700至6500 K的温度范围内。该芯片是由3.5毫米包(图4)装在一个3.5。

在Si的LED东芝TL1L4家庭氮化镓的图像

图4：TL1L4在Si系列的LED氮化镓承诺160流明从3.5×3.5 mm封装。

该TL1L4家族的性能与高端的常规产品相提并论量产，如Cree公司的XLamp XM-L2(155流明/瓦，2.85 V，700 mA)的和欧司朗的OSLON广场(163流明/瓦，3.05 V，700嘛)。东芝的产品实际上是提供比价格竞争力的中档设备，如Cree公司的XLamp MX-3S(85流明/ W，10.7 V，115毫安)和Philips Lumileds的LUXEON 3535L(121流明/瓦，3.05 V，百毫安更好的性能)。

更大的亮度(在降低功效的成本)的TL1L4产品可以与1 A的正向电流操作或甚至1.5甲只要芯片的结温保持在低于150℃。东芝公司解释说，TL1L4系列的性能水平使得它适合主流照明应用，如国内筒灯，路灯，泛光灯和。

补充技术

目前，照明消耗了世界能源的19%左右。据估计，大规模采用LED灯将削减通过，因为他们高得多的功效四分之三。虽然价格自然会继续下跌，高性能的可用性而相对低成本的氮化镓上硅像东芝承诺指示灯来加速这一进程，使灯光师提供了克服高初始消费者的反对SSL解决方案收购价。

这种替代技术将是不可能永远超越当代高端设备;但它确实提供了一个补充现有的技术 - 专利问题放在一边 - 可以被拾起其他公司产生竞争，推动价格仍然较低，并增加了照明市场的SSL的份额。