高亮度LED照明领域上的发展趋势

原来在Ⅲ族氮化物里是不存在单结晶Bulk，当使用蓝宝石基板进行hetero-epitaxial生成，转位高密度发生的根源就在于这种异种基板的使用，当然使用Bulk基板是最佳的解决方法。因此，在各种制作方法上的研发、量产化都在积极的开发中，也有一些已经开始进入销售的阶段了。另一方面，与终极基板Bulk基板相对的，能够实现其类似功能的是Template基板。目前好几个业者都开始小量生产，这些虽然没有像Bulk基板成本那么高，但是成本也不低，因为考虑到高成本和效率，只能使用在雷射和电子设备，UV LED等上面。

尽管结晶缺陷非常多，但是GaN系LED元件为什么能够达到高亮度，并且芯片不会迅速劣化，这些结构现象还是仍旧被工程师与学者在研究当中，但是并没有一个完整的理论出现。所以为了达到材料最大的限度，发挥出GaN的极限，就有必需确定发光构造的理想的层构成，以及构造设计。

如果不能实现好的长晶　一切都是白费功夫

结晶生成对于LED元件制造来说，是相当关键的技术，同时也是高效率化研发的关键。无论怎么好的结构层设计，如果不能实现好的长晶，一切都是白费功夫。在初期，量产的GaN LED是face-up型的元件，在p侧的接触电极是采用透光性的薄膜电极，透过这个薄膜电极发光，而材料上则是使用Au合金电极，但是虽然具有透光性的特性，但是实际的透光度并不能满足实际应用的需求，因为通过电极的光系数，或者反射而无法散发出的光相当的多，使得发光效率一直无法获得提升。因此随后研发人员考量，因为face-up型的LED元件反射率很高，必须采用稳定性高的材料作为电极，将光从蓝宝石基板侧发出，来提高发光通量。

通常的LED芯片有必要透过有机材料来固定，往往伴随著这种封装材料的热量出现，会使得光的质量出现劣化，产生光输出降低的问题。另一方面flip-chip的封装之所以可以达到高发光效率，因为是将结晶层置于下方，利用bump金属材料封装在基板上，所以能够有效率的把结晶层内的热量排除，而且因为不需要连接材料，所以稳定性也相当高，用来作为照明用的大电流、大型元件，这是非常好的封装设计。

图说：Flip Chip的封装之所以可以达到高发光效率，因为是将结晶层置于下方，利用bump金属材料封装在基板上，所以能够有效率的把结晶层内的热量排除。（资料来源：CREE）

提高电极的可视光透过率　增加光通量

最近也有工程师开始利用ITO作为透明导电膜，这是因为ITO电极的可视光透过率非常高，而且电极材料自身也不大会出现光吸收现象而造成光损耗，而且在光学设计上，本身折射率是GaN折射率和Mold材料树脂的中间值，所以能够大幅增加输出效率。因为GaN系结晶折射率很高，所以在LED元件结晶内部发出的光，并没有透出而是在内部反射，最终被材料所吸收。例如n-GaN层／蓝宝石基板界面的临界角是47度，p-GaN层／mold材料的epitaxial树脂界面的临界角是38度，一般LED的输出效率至少是30％。因此如果能够将发光层发出的光全部透出的话，很有可能可以将LED的亮度增加到目前两倍以上。

LED构造逐渐固定化之后的一两年，关于这一方面的讨论相当多，包括了n-GaN层／蓝宝石基板界面以及p-GaN层表面等等。在n-GaN层／蓝宝石基板界面上，最有代表性的研究是透过界面加工，制造出光学的凹凸，并且在所形成凹凸的蓝宝石基板上生成结晶。界面作成凹凸形状的理由是，这样能够大幅减少全反射损失，如果在结晶生成初期，在加上促进水平方向长成，就能够减少结晶的缺陷，而使得发光效率大幅度的提升。

另外，也有业者正在开发，当蓝宝石基板上进行长晶后，除去蓝宝石基板以及物件界面的技术。这是因为在结晶生成后会形成反射性的电极，在这个电极上结合基板材料，然后再用雷射lift-off法除去蓝宝石基板，在露出的n-GaN层上形成n接触电极，当然这样的话，n-GaN层／mold树脂间界面的临界角会比较小，使得光输出效率非常差，为了克服这一个缺点，就必须在n-GaN表面增加光学的设计，因为设计和生产的自由度都很高，所以可能会有很大幅度的输出效率提高，也会有flip chip的优点。

在p-GaN层表面技术方面，目前有相当多业者投入开发Photonic结晶技术，所谓的Photonic结晶就是在光的波长周期性拥有折射率分布的构造，能够实现一般物质空间种无法实现的光的应用。将p-GaN层进行蚀刻制程，在最表面形成Photonic结晶，能够大幅提高光输出效率，但是这是要求度非常高的微细制程技术，而且在对p-GaN层加工时，会造成p-GaN层破坏，所以目前还是停留在研发的阶段。Photonic结晶技术被发现后，在各领域的应用有著相当令人激赏的表现，一直是倍受研发者所关心的一项技术，因为多是期望能够回避日亚化学的蓝光LED加萤光粉制技术专利。

其它的高效率化技术

利用增加电流也可以达到高亮度，但是单纯的将元件大型化，透过提高电流实现高光度的话，是不能提高效率的，因为虽然将LED变的更亮，但是耗电量也随之增加，并且也会损及LED的使用寿命，但是可以透过减少元件的热负荷，来进一步提高发光效率，因为即使是一般尺寸的LED，可以因为在封装基板上使用热传导性好的材料，来实现高效率化。GaN LED相关的研发，已经将基板的结构发展的相当成熟，接下来进一步的就是开发出新一代高效率LED。因为目前GaN LED的内部发光效率已经到达相当高的水平，但是光输出效率还有很大的空间可以提升，如果能够实现新一代设计的话，可以期待大幅度的光亮度提升成果，虽然有成本，寿命的诸多问题，相信新一代的超高亮度LED的量产时代已经不远了，同时也缩短了照明领域应用的时间距离。