高亮度led芯片的市场格局及未来发展趋势
发布时间：2014-01-06
led市场正处于高速发展的阶段，led芯片成本的进一步下降将促进半导体照明走入全家万户。由于硅衬底具有成本低、ic厂制造工艺成熟等特点，随着6-12寸大尺寸硅基led技术的不断发展，硅基led技术将在降低成本和提高生产效率方面具有巨大的优势，这对于led产业会产生重大影响。
当前，半导体照明市场的进一步发展要求蓝光led芯片的光效要不断提升，成本要不断下降。目前科锐基于碳化硅的led芯片已经实现了200lm/w光效产品的量产，研发水平光效可以达到276lm/w。在led芯片成本下降和光效提升的这一竞赛中，目前正遇到以下几个发展瓶颈。
第一是蓝光芯片存在的droop效应。在大电流密度条件下，发光二极管的外量子效率会下降，有试验表明droop效应是由包括俄歇效应在内的多种原因引起，这个效应限制了蓝光芯片在大电流密度下的使用，从而阻碍了流明成本的下降。
第二是绿色能隙(greengap)和红色能隙(redgap)。当波长从蓝光进入到绿光波段时，led的量子效率会下降，如530nm的绿光量子效率下降很快;对于红光而言，在深红色光谱中内部量子效率可以达到100%，但对理想白光光源中的橘红色发光波长(如614nm)而言，其效率迅速下降。这些效应限制了绿光和红光芯片的光效提升，延缓了未来的高质量白光的产生。另外，绿光及黄光led效率也受到本身极化场的冲击，而这个效应会随着更高的铟原子浓度而变得更强。
第三是外延的异质生长问题。由于外延生长时晶体中存在缺陷，形成大的位错密度和缺陷，从而导致光效下降和寿命下降。目前蓝光芯片无论是碳化硅、蓝宝石、硅衬底技术都是异质外延，在衬底和外延晶体之间存在晶格失配导致位错，同时由于热膨胀系数的差别在外延生长后的降温过程中产生热应力，导致外延层出现缺陷、裂纹、晶片弯曲等。衬底的质量直接影响着外延层的晶体质量，从而影响光效和寿命。如果采用gan同质衬底进行外延生长，利用非极性技术，可最大限度地减少活性层的缺陷，使得led芯片的电流密度比传统芯片高5-10倍，大幅提高发光效率。据报道首尔半导体采用同质衬底开发的npola新产品，与目前的led相比，在相同面积上的亮度高出了5倍，但gan同质衬底对于led而言仍过于昂贵。
总体而言，在蓝光led芯片的未来发展上，倒装芯片、高压芯片、硅基芯片等都是未来的主要发展趋势。倒装芯片由于散热好可以增大注入电流，不用打线可以提升产品在应用过程中的可靠性;高压led芯片由于可以更加匹配供电电压能够提高电源转换效率，再加上定制的ic电源，最适合于led球泡灯;硅基led芯片由于可以在6寸或者8寸的硅衬底上进行外延生长，可以大幅度降低led的成本，从而加速半导体照明应用时代的来临。对于其它颜色而言，红光led芯片和绿光led芯片的光效都还有很大的提升空间，随着红光和绿光led芯片光效进一步的提升，未来白光不一定就是目前的蓝光led芯片加黄色荧光粉的形式，也可能是rgb或其它的形式，未来白光的封装方式也可能会发生很大的变化。