可降低高固态照明成本的硅替代方案

当今高亮度LED的主导技术是蓝宝石或碳化硅（SiC）基板上的氮化镓（GaN）。这些材料很受欢迎，因为合成的LED明亮，高效，并且使用寿命长。然而，这些芯片很难制造并封装成可用的器件，从而使用它们作为光引擎的最终产品的成本倍增。虽然近年来价格大幅下跌，但LED照明的购买成本仍然远高于传统替代品。这一初始费用被认为是减缓固态照明（SSL）接受度的一个主要因素。

一批先锋制造商一直在努力通过更换蓝宝石来降低大功率LED的成本，具有硅（Si）的SiC衬底，该材料通常用于制造大多数电子芯片（“IC”）。主要优势在于极低成本的晶圆供应以及使用折旧的8英寸晶圆厂进行LED制造的机会。这些概念相结合，可以大幅降低LED价格，克服消费者的反对意见。

最初，技术挑战限制了GaN-on-Si LED的性能，使其对主流照明没有吸引力。现在，一些制造商，特别是东芝，推出了新一代的这些LED，并以极具竞争力的价格大幅提升了性能，使其成为许多应用中传统设备的可行替代品。

本文回顾了开发硅基板LED，描述了最新一代的商用设备。

降低LED的成本

虽然需要花费数年时间和数百万美元的R＆amp; D资金，现代化当考虑初始购买价格，能耗和寿命等因素来确定“拥有成本”时，LED是用于主流照明的传统光源（如白炽灯泡，荧光灯管和卤素灯）的经济型替代品。

分析师麦肯锡公司最近的一份报告 1 公司得出结论，到2016年（取决于LED的价格持续下降的速度），与紧凑型荧光灯（CFL）相比，LED灯具的投资回报（由于运行成本更低，寿命更长）将抵消最初的更高购买价格在1.7到3。9年之间。 2011年的相应计算得出了大约14年的数字。 （图1）

图1：住宅区LED灯泡与CFL灯泡的投资回收期（暗线代表基本情况，较轻线代表更快的LED价格侵蚀）。 （由McKinsey＆amp; Company提供）

不幸的是，同一份报告的结论是，尽管2015年照明应用中LED的市场份额攀升至45％左右，“LED照明产品的价格溢价仍然存在在考虑对普通照明应用进行初期投资时，最初的购买价格对决策者来说是一个重大障碍。“

考虑到像飞利浦这样的LED灯更换时，这种沉默也许并不令人惊讶。 W（白炽灯）等效PAR38 LED灯泡的零售价为22美元，相比同一公司的100 W等效T2 Twister CFL为12美元，相当于100 W等效EcoSmart卤素灯泡为6美元。

LED成本的关键因素灯泡是LED芯片本身。每个LED灯泡通常包括六个，八个或十个LED芯片的阵列，每个LED芯片在复杂的晶片制造工艺中由特殊材料制成，然后以三步或四步组装操作昂贵地封装。用更便宜的替代品取代材料和制造成本将大大降低LED的初始购买价格，从而促进更快速的采用。

硅替代方案

电子革命建立在硅片上;一种稳定，廉价，丰富的半导体，易于生长成晶体，切割成晶圆，并采用CMOS工艺将每个晶圆转变为数千个IC。此外，在晶圆厂大量投资以大规模生产此类芯片，将单位成本降低至仅为美分。

最近，芯片制造商已采用更高效的晶圆制造工艺，采用12英寸（300毫米）晶圆作为原材料，取代了旧的8英寸（200毫米）晶圆。因此，全球有超过8英寸的容量，一些人认为可以转向LED制造，大大降低了最终产品的价格。

大多数现代LED都是由GaN的组合，其特征在于在蓝宝石衬底上具有适合于在光谱的可见部分发射光子的带隙。 GaN薄膜通过称为外延的工艺生长，其通过在衬底上沉积连续层来建立LED的有源区。一个缺点是GaN和蓝宝石衬底之间的晶格间距（晶体结构中的各个原子之间的单位距离）之间的不匹配，这导致有源区域中的微观缺陷。这些缺陷，也称为穿透位错，都会影响LED的发光度和寿命。

SiC具有与蓝宝石更紧密匹配的晶体结构，降低了缺陷密度，提高了效率和寿命。至少一个，有时两个数量级。 （参见TechZone文章“材料和制造改进提高LED效率。”）

蓝宝石和SiC不仅生产成本高，而且难以在大于4英寸（100毫米）的晶圆上可靠地制造直径。除了更便宜和更容易使用外，8英寸硅晶片的加工时间仅比4英寸的晶圆要长一些。最终结果是工厂的生产量可以翻两番（8英寸晶圆的表面积是4英寸晶圆的4倍（图2），同时削减了材料和加工成本。

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图2：2英寸，4英寸，6英寸和8英寸晶圆的比较。

然而，切换到硅作为基板对于LED来说，存在着巨大的技术挑战，其中最主要的是硅的晶体结构与GaN的偏差甚至比蓝宝石更糟糕。更糟糕的是，硅与GaN的热膨胀系数差别很大。这两个因素导致严重在制造过程中，拉伸应力被加入到晶圆中，随着晶圆冷却，导致微裂纹。如果有的话，裂纹LED的功能很差。更糟糕的是，硅是一种非常好的光子吸收体，它应该逃逸并有助于LED的发光度因此，早期GaN-on-Si LED的光提取率为其四分之一到三分之一来自蓝宝石上的同类器件（参见TechZone文章“硅衬底将LED照明推向主流吗？”）

一些先锋公司坚持他们的开发计划，而GaN-on-Si LED仍然落后于蓝宝石上GaN或on-SiC LED的发光度，功效和长寿命，今天的实验台上的器件不会受到早期器件性能不佳的影响，而且成本只是其成本的一小部分。常规LED。

第二代硅

随着传统LED的稳步改进（同时减少了匹配单个白炽灯或荧光灯泡输出所需的LED数量）新的市场为“中档”LED开辟了新的市场。中档芯片无法与当今高端设备的性能相媲美，而是以预算价格提供合理的性能（例如，提供相当于两三年前顶级规格芯片的亮度和寿命）（参见TechZone文章） “中功率LED为照明应用提供了更便宜的替代方案”。）

中档市场的增长为GaN-on-Si芯片开辟了机会。今天的硅基板LED的性能很容易与中等蓝宝石上GaN或碳化硅上的相匹配，同时削弱了后者的价格。

东芝（最初与Bridgelux合资，但是后来买下了合作伙伴在该合资企业中的份额）是供应GaN-on-Si LED的商业领跑者之一。

东芝对于如何解决GaN和Si之间晶格和热失配的技术难题并且几乎没有公开声明是可以理解的，但在被收购之前，Bridgelux确实揭示了“拉伸”使用专有缓冲层（在GaN和硅之间）解决了应变问题。“

有关东芝研究的更多信息可在科学论文中找到。 2006年2月发表的一个例子 2 描述了东芝研究人员如何通过使用“立方SiC”作为中间层来抑制通常困扰硅上GaN外延的裂纹产生。立方SiC的晶格常数约为GaN和硅之间的一半，有助于减轻原本会产生的应力，并导致GaN和硅的邻接层之间产生裂缝。

研究人员报告称，1μm层在传统的8英寸硅晶片上面的SiC足以抑制有源GaN层中的裂缝。虽然比在“裸”硅上沉积GaN稍贵，但该工艺仍然比制造蓝宝石或SiC晶圆便宜得多，因为它仍然建立在廉价的硅制造工艺之上。

东芝也声称其GaN -on-Si工艺有助于直接从晶圆生产大型“体积发射”单LED芯片，而无需经过传统的LED组装工艺（图3）。这种技术的优点是可以节省更多成本，单个LED可以与日益流行的板上芯片（CoB）阵列竞争 - 这些产品包含预先组装成一个单元的多个传统LED（参见TechZone文章“The Rise of板上芯片LED模块“）。

图3：东芝的GaN-on-Si工艺使封装的体积发射器LED能够直接切割来自晶圆，无需经过传统的包装工艺 3 。 （由Toshiba提供）

可用产品

东芝于2012年底首次推出一系列GaN-on-Si产品.TL1F1 1 W LED交付112 lm（功效112 lm）/W，电压为2.9 V，电流为350 mA），用于冷白（5000 K）设备。

十个月后，该公司宣布修订范围（TL1L3系列） - 最新的商业产品，可提供135 lm（135 lm/W，2.85 V，350 mA）。然后，在2015年初，该公司发布了TL1L4系列的样品量，它声称其性能比上一代GaN-on-Si器件高出60％。顶级产品是1 W，冷白色（5000 K，显色指数（CRI）70）产品，可提供160 lm（160 lm/W，2.8 V，350 mA）。其他型号可在2700至6500 K的温度范围内使用。芯片采用3.5 x 3.5 mm封装（图4）。

图4：Si LED上的TL1L4系列GaN承诺从3.5 x 3.5 mm封装的160 lm。

TL1L4系列的性能与批量生产的高端传统产品相当，例如Cree的XLamp XM-L2（155 lm/W，2.85 V，700 mA）和OSRAM的OSLON Square（163 lm）/W，3.05 V，700 mA）。东芝的产品实际上提供比具有价格竞争力的中档设备更好的性能，如Cree的Xlamp MX-3S（85 lm/W，10.7 V，115 mA）和Philips Lumileds的Luxeon 3535L（121 lm/W，3.05 V，100 mA）只有当芯片的结温保持在150°C以下时，TL1L4产品才能以1 A或甚至1.5 A的正向电流工作，从而获得更高的发光度（以降低功效为代价）。

东芝解释说，TL1L4系列的性能水平使其适用于主流照明应用，如家用筒灯，路灯和泛光灯。

补充技术

目前，照明消耗的能源约占全球能源的19％。据估计，大规模采用LED将使其减少四分之三，因为它们具有更高的效率。虽然价格自然会继续下降，但像东芝那样高性能但成本相对较低的GaN-on-Si LED的供应有望加速这一过程，并使照明工程师能够提供SSL解决方案，以克服消费者对高初始值的反对意见购买价格。

这种替代技术不可能超越当代高端设备;但它确实提供了现有技术的补充 - 专利问题 - 可以被其他公司接收，产生竞争，推动价格更低，并增加SSL在照明市场的份额。