多色LED達到400lm/W
科銳公司的技術(shù)還存在“謎團”。該公司2014年3月發(fā)布了發(fā)光效率為303lm/W的白色LED，這個效率超過了以往的白色LED技術(shù)的發(fā)光效率理論極限。對此很多觀點認為，“應該是采用了與藍色LED和黃色熒光材料的組合不同的技術(shù)”(某LED技術(shù)人員)。
實際上，如果采用構(gòu)造與以往的白色LED不同的技術(shù)，發(fā)光效率的理論極限要高得多。若不使用熒光材料，而是組合以紅色(R)、綠色(G)和藍色(B)分別發(fā)光的LED來形成白色光，還有望實現(xiàn)409lm/W的超高發(fā)光效率。
綠色LED發(fā)光效率低
利用多色LED形成白色光的想法以前就有。但輸給了日亞化學工業(yè)的技術(shù)。主要有兩點原因。第一，多色方式要想維持白色，需要根據(jù)各色LED發(fā)光狀態(tài)的時間變化來控制各LED的驅(qū)動電流。
第二，與紅色和藍色LED相比，綠色LED的發(fā)光效率太低。綠色LED是在GaN中添加銦(In)，增加發(fā)光波長實現(xiàn)的。但生長晶體時非常難控制In的組成比，無法制作高品質(zhì)晶體。
調(diào)色功能成為LED照明的軸心
不過，最近出現(xiàn)了重新挑戰(zhàn)這種多色LED方式的企業(yè)，這就是荷蘭皇家飛利浦。該公司采用多色LED方式，于2013年4月開發(fā)出了發(fā)光效率為200lm/W的直管型LED燈“TLED”。針對存在課題的綠色發(fā)光改進了方法，確保了所需的發(fā)光效率。這是通過組合藍色LED與自主開發(fā)的高效率綠色熒光材料實現(xiàn)的。
另外，飛利浦還導入了根據(jù)各色LED發(fā)光狀態(tài)的時間變化來控制各LED驅(qū)動電流的機制，從而能一直保持白色狀態(tài)。利用該機制，還實現(xiàn)了可選擇不同顏色的調(diào)色功能。
飛利浦把這種基于多色LED的調(diào)色功能與利用通信功能遠程控制照明器具的智能照明功能組合在一起，作為LED照明的重要附加值提供。估計這是打算重新構(gòu)筑LED照明產(chǎn)品群的戰(zhàn)略。2012年10月，該公司上市了可顯示1677萬色的LED燈泡“hue”。另外還推出了有10多種顏色的LED封裝。
綠色LED取得突破
針對多色LED方式，還有的研究人員不依賴熒光材料，而是全力開發(fā)具備高發(fā)光效率的綠色LED。比如名古屋大學研究生院工學系研究科教授天野浩的研究室。最近，該研究室已有眉目實現(xiàn)外部量子效率(EQE)高達約60%的綠色LED。而在此之前，EQE最高只有20%左右。
此前，很多研究人員和企業(yè)都放棄了提高綠色LED的InGaN晶體品質(zhì)。因為，只要晶體生長時的溫度稍有偏差，就會出現(xiàn)In過剩或者不足的情況。
天野研究室采取的是實時、詳細地觀察晶體生長的方法。在晶體生長時邊照射3種波長的激光，邊觀察晶體狀態(tài)，根據(jù)情況調(diào)整溫度等生長條件。天野介紹說，“接下來要對結(jié)果進行詳細分析和評測”，通過與高效率紅色LED和藍色LED等組合，“應該能實現(xiàn)接近300lm/W的效率”(天野)。
新基板蘊藏著巨大的可能性
在對白色LED的要求中，(2)制造成本、(3)高亮度化以及(4)超越顯色指數(shù)和眩光極限的技術(shù)大多都與新基板有關(guān)。這些技術(shù)不使用藍寶石基板，而是在其他基板上生長GaN晶體制作LED。可以選擇SiC基板、Si基板以及GaN基板等。
這些基板雖然各有各的課題，但優(yōu)點是都蘊藏著能大幅超越以往白色LED技術(shù)的沖擊力，有望開拓LED照明的新用途。
此外，也有想利用藍寶石基板提高發(fā)光效率和支持大電流密度的研究開發(fā)(圖8(b～d))。這些開發(fā)大多都是在基板上稍微施加一些特殊加工，目前還沒形成主流技術(shù)，不過為解決存在的課題，正在加速開發(fā)。新基板將在與藍寶石基板的競爭中，加速提高性能。
利用Si基板大幅削減成本
在新基板技術(shù)中，有望(2)大幅降低制造成本的，是在Si基板上生長GaN晶體的“GaN on Si”技術(shù)。該技術(shù)最近突然開始受到關(guān)注。
GaN on Si技術(shù)的最大特點是，制造裝置可使用普通的半導體用裝置。這樣就有望大幅削減包括封裝工序在內(nèi)的制造成本。也在推進GaN on Si技術(shù)研發(fā)的名古屋大學的天野預測，“采用GaN on Si技術(shù)可將LED封裝價格降至1/4”。
GaN on Si技術(shù)還有其他優(yōu)點。比如通過采用半導體制造技術(shù)，可提高加工效率，能與其他電路集成等，有望催生新的附加值。
另外，GaN on Si并不是新技術(shù)。該技術(shù)雖然備受期待，但直到最近才開始推進實用化，這是因為一直未能解決技術(shù)課題。例如，由于GaN與Si的晶格常數(shù)之差和熱膨脹系數(shù)之差較大，不容易在Si基板上生長高品質(zhì)GaN晶體。因為熱膨脹系數(shù)不同，存在晶體破損和硅晶圓曲翹的課題。制作的LED發(fā)光效率也比較低，很難追上性能領(lǐng)先的藍寶石基板白色LED。另外還存在作為LED基板來說最致命的課題，即Si會吸收可見光。
