基于SiC技术的碳化硅衬底提升LED的发光度

大多数现代LED由氮化铟镓（InGaN）和蓝宝石衬底组成。该架构运行良好，并使LED制造商能够提供效率超过150流明/瓦的产品。然而，该架构确实存在一些缺点，这些缺点促使芯片制造商寻求其他选择。

一种商业上成功的替代方案是碳化硅（SiC），基于该基板的LED已经上市两年。现在已经发布了新一代技术，有望将目前最亮的单个LED的发光度提高一倍，并将照明灯具的成本降低40％。

本文着眼于SiC技术并描述了基于材料的最新芯片。了解它们与上一代和现代蓝宝石衬底LED的比较。

制造挑战

InGaN是制造当今高亮度白光LED的首选材料。小心地操纵半导体的带隙，使得LED管芯发射蓝色光子，其中大部分被LED的磷光体涂层吸收并在光谱的黄色部分中重新发射。蓝光和黄光的混合产生了很好的近似白光。不幸的是，不像大多数集成电路所使用的硅 - 可以廉价生产导致低成本元件 - InGaN难以大规模生产锭。 LED制造商通过使用诸如金属有机化学气相沉积（MOCVD）的外延技术克服了这一困难。该工艺克服了生长块状InGaN的需要，而是通过在合适的衬底上沉积连续的薄膜来构建材料。

最常见的衬底材料是蓝宝石（Al2O3）。该矿物质便宜，耐用，并且具有良好的绝缘体。图1显示了蓝宝石衬底LED的横截面。

图1：蓝宝石衬底LED。

蓝宝石的最大缺点是它之间存在很大的不匹配晶格结构和InGaN晶格结构。这种不匹配在制造期间将微裂纹（称为“穿透位错”）引入LED结构中，这损害了LED功效，因为在这些位置处发生的电子和空穴之间的重组主要是“非辐射的”。换句话说，没有发射可见光子。更糟糕的是，微裂纹随着温度和老化而增加，缩短了器件的寿命（参见TechZone文章“材料和制造改进提高LED效率”）。这并不是说蓝宝石衬底的LED性能很差。几家主要制造商提供基于该材料的成熟产品。例如，Philips Lumileds的LUXEON T白光LED产生249流明（2.8 V，700 mA），功效为127 lm/W（图2）。此外，欧司朗的OSLON SSL 150白色能够产生136流明（3.1 V，350 mA），效率为125流明/瓦。

图2：飞利浦Lumileds LUXEON T是高性能蓝宝石衬底LED。

极高功率LED

SiC被引入作为LED制造的替代品，因为与InGaN的晶格失配远小于蓝宝石。微裂纹仍然可能发生，但缺陷密度显着降低，提高了效率并延长了LED寿命。主要缺点是相对较高的材料和制造成本以及需要许可费用的专利工艺。

Cree - 也许并不奇怪，因为它拥有许多工艺专利 - 已经支持使用SiC衬底进行LED制造。其首款商用SiC器件XLamp XB-D系列于2012年初发布。这些芯片采用了该公司的“SC 3 ”技术。 XLamp XB-D是97 lm/W器件（350 mA），如果电流达到1 A，可以产生高达213 lm的电流。

该公司最近宣布其下一代SiC LED是现在可以提供样品。这一次，“极高功率（XHP）”设备采用标有“SC5”的技术。该公司声称，与中功率LED相比，新设备将使照明设计人员能够节省高达40％的系统成本（用于相同的光输出）［参见TechZone文章“中功率LED为照明应用提供更便宜的替代品”］。这些节省主要是因为相同光输出需要更少的更亮的LED。

Cree尚未发布XHP设备的完整规格，但解释说单个设备可以产生1800流明的效率112 lm/W和总耗散量为16.1 W.所有LED随着时间的推移逐渐消失（一旦设备的输出低于70％（L70），当新的产品被认为失败时［参见TechZone文章“确定LED额定寿命：A棘手的挑战“］）和XHP产品也不例外。然而，该公司表示，即使在35，000小时后，LED仍将提供至少90％的原始光度。图3显示了一个XHP封装。

图3：Cree XHP产生两倍于现代高功率LED的输出。

使用该公司的中档XLamp MX生产1800流明-3S LED--一个104 lm（10.7 V，115 mA）器件，功效为85 lm/W--需要18个器件阵列，总功耗为22.1 W.该公司称单个XHP LED将会甚至可以生产出目前高功率产品的双倍流明，例如XM-L2。根据数据表，XM-L2在2.85 V，700 mA时输出270 lm。

照明灯具中的LED数量越多，需要更大，更复杂的PCB，组装成本越高，散热器越多，等等精密光学 - 加入更昂贵的最终产品。 （参见TechZone文章“LED封装和功效进步提高流明密度”。）

Cree解释说，使用XHP LED减少芯片数量所节省的40％来自简化最终产品设计和装配过程。这没有考虑到阵列中多个LED配色的额外时间和费用，以确保输出的均匀性（尽管制造商可以提供克服这一挑战的LED阵列）。

未来的进一步发展

蓝宝石基板LED已经成为固态照明行业的支柱。基于该技术，市场上有许多高性能芯片。然而，在如此竞争激烈的行业中，制造商一直在寻找优势，据说基于SiC技术的新一代器件可提供比传统器件更高的发光度 - 允许工程师在同一输出中使用更少的LED，简化和在降低成本的同时缩小照明灯具。然而，LED技术还远未成熟，而蓝宝石和SiC是目前的领导者，其他材料 - 包括氮化镓（GaN）本身;甚至低硅 - 正在开发中（请参阅TechZone文章“硅衬底将LED照明推向主流吗？”）。一些制造商甚至正在尝试完全省去基板的LED。