大多數(shù)現(xiàn)代LED由氮化銦鎵（InGaN）和藍(lán)寶石襯底組成。該架構(gòu)運(yùn)行良好，并使LED制造商能夠提供效率超過(guò)150流明/瓦的產(chǎn)品。然而，該架構(gòu)確實(shí)存在一些缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)促使芯片制造商尋求其他選擇。

一種商業(yè)上成功的替代方案是碳化硅（SiC），基于該基板的LED已經(jīng)上市兩年。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)布了新一代技術(shù)，有望將目前最亮的單個(gè)LED的發(fā)光度提高一倍，并將照明燈具的成本降低40％。

本文著眼于SiC技術(shù)并描述了基于材料的最新芯片。了解它們與上一代和現(xiàn)代藍(lán)寶石襯底LED的比較。

制造挑戰(zhàn)

InGaN是制造當(dāng)今高亮度白光LED的首選材料。小心地操縱半導(dǎo)體的帶隙，使得LED管芯發(fā)射藍(lán)色光子，其中大部分被LED的磷光體涂層吸收并在光譜的黃色部分中重新發(fā)射。藍(lán)光和黃光的混合產(chǎn)生了很好的近似白光。不幸的是，不像大多數(shù)集成電路所使用的硅 - 可以廉價(jià)生產(chǎn)導(dǎo)致低成本元件 - InGaN難以大規(guī)模生產(chǎn)錠。 LED制造商通過(guò)使用諸如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）的外延技術(shù)克服了這一困難。該工藝克服了生長(zhǎng)塊狀I(lǐng)nGaN的需要，而是通過(guò)在合適的襯底上沉積連續(xù)的薄膜來(lái)構(gòu)建材料。

最常見(jiàn)的襯底材料是藍(lán)寶石（Al2O3）。該礦物質(zhì)便宜，耐用，并且具有良好的絕緣體。圖1顯示了藍(lán)寶石襯底LED的橫截面。

圖1：藍(lán)寶石襯底LED。

藍(lán)寶石的最大缺點(diǎn)是它之間存在很大的不匹配晶格結(jié)構(gòu)和InGaN晶格結(jié)構(gòu)。這種不匹配在制造期間將微裂紋（稱為“穿透位錯(cuò)”）引入LED結(jié)構(gòu)中，這損害了LED功效，因?yàn)樵谶@些位置處發(fā)生的電子和空穴之間的重組主要是“非輻射的”。換句話說(shuō)，沒(méi)有發(fā)射可見(jiàn)光子。更糟糕的是，微裂紋隨著溫度和老化而增加，縮短了器件的壽命（參見(jiàn)TechZone文章“材料和制造改進(jìn)提高LED效率”）。這并不是說(shuō)藍(lán)寶石襯底的LED性能很差。幾家主要制造商提供基于該材料的成熟產(chǎn)品。例如，Philips Lumileds的LUXEON T白光LED產(chǎn)生249流明（2.8 V，700 mA），功效為127 lm/W（圖2）。此外，歐司朗的OSLON SSL 150白色能夠產(chǎn)生136流明（3.1 V，350 mA），效率為125流明/瓦。

圖2：飛利浦Lumileds LUXEON T是高性能藍(lán)寶石襯底LED。

極高功率LED

SiC被引入作為L(zhǎng)ED制造的替代品，因?yàn)榕cInGaN的晶格失配遠(yuǎn)小于藍(lán)寶石。微裂紋仍然可能發(fā)生，但缺陷密度顯著降低，提高了效率并延長(zhǎng)了LED壽命。主要缺點(diǎn)是相對(duì)較高的材料和制造成本以及需要許可費(fèi)用的專利工藝。

Cree - 也許并不奇怪，因?yàn)樗鼡碛性S多工藝專利 - 已經(jīng)支持使用SiC襯底進(jìn)行LED制造。其首款商用SiC器件XLamp XB-D系列于2012年初發(fā)布。這些芯片采用了該公司的“SC 3 ”技術(shù)。 XLamp XB-D是97 lm/W器件（350 mA），如果電流達(dá)到1 A，可以產(chǎn)生高達(dá)213 lm的電流。

該公司最近宣布其下一代SiC LED是現(xiàn)在可以提供樣品。這一次，“極高功率（XHP）”設(shè)備采用標(biāo)有“SC5”的技術(shù)。該公司聲稱，與中功率LED相比，新設(shè)備將使照明設(shè)計(jì)人員能夠節(jié)省高達(dá)40％的系統(tǒng)成本（用于相同的光輸出）［參見(jiàn)TechZone文章“中功率LED為照明應(yīng)用提供更便宜的替代品”］。這些節(jié)省主要是因?yàn)橄嗤廨敵鲂枰俚母恋腖ED。

Cree尚未發(fā)布XHP設(shè)備的完整規(guī)格，但解釋說(shuō)單個(gè)設(shè)備可以產(chǎn)生1800流明的效率112 lm/W和總耗散量為16.1 W.所有LED隨著時(shí)間的推移逐漸消失（一旦設(shè)備的輸出低于70％（L70），當(dāng)新的產(chǎn)品被認(rèn)為失敗時(shí)［參見(jiàn)TechZone文章“確定LED額定壽命：A棘手的挑戰(zhàn)“］）和XHP產(chǎn)品也不例外。然而，該公司表示，即使在35，000小時(shí)后，LED仍將提供至少90％的原始光度。圖3顯示了一個(gè)XHP封裝。

圖3：Cree XHP產(chǎn)生兩倍于現(xiàn)代高功率LED的輸出。

使用該公司的中檔XLamp MX生產(chǎn)1800流明-3S LED--一個(gè)104 lm（10.7 V，115 mA）器件，功效為85 lm/W--需要18個(gè)器件陣列，總功耗為22.1 W.該公司稱單個(gè)XHP LED將會(huì)甚至可以生產(chǎn)出目前高功率產(chǎn)品的雙倍流明，例如XM-L2。根據(jù)數(shù)據(jù)表，XM-L2在2.85 V，700 mA時(shí)輸出270 lm。

照明燈具中的LED數(shù)量越多，需要更大，更復(fù)雜的PCB，組裝成本越高，散熱器越多，等等精密光學(xué) - 加入更昂貴的最終產(chǎn)品。 （參見(jiàn)TechZone文章“LED封裝和功效進(jìn)步提高流明密度”。）

Cree解釋說(shuō)，使用XHP LED減少芯片數(shù)量所節(jié)省的40％來(lái)自簡(jiǎn)化最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配過(guò)程。這沒(méi)有考慮到陣列中多個(gè)LED配色的額外時(shí)間和費(fèi)用，以確保輸出的均勻性（盡管制造商可以提供克服這一挑戰(zhàn)的LED陣列）。

未來(lái)的進(jìn)一步發(fā)展

藍(lán)寶石基板LED已經(jīng)成為固態(tài)照明行業(yè)的支柱。基于該技術(shù)，市場(chǎng)上有許多高性能芯片。然而，在如此競(jìng)爭(zhēng)激烈的行業(yè)中，制造商一直在尋找優(yōu)勢(shì)，據(jù)說(shuō)基于SiC技術(shù)的新一代器件可提供比傳統(tǒng)器件更高的發(fā)光度 - 允許工程師在同一輸出中使用更少的LED，簡(jiǎn)化和在降低成本的同時(shí)縮小照明燈具。然而，LED技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，而藍(lán)寶石和SiC是目前的領(lǐng)導(dǎo)者，其他材料 - 包括氮化鎵（GaN）本身;甚至低硅 - 正在開(kāi)發(fā)中（請(qǐng)參閱TechZone文章“硅襯底將LED照明推向主流嗎？”）。一些制造商甚至正在嘗試完全省去基板的LED。