基于GaN器件技術(shù)的LED

繁華的城市離不開LED燈的裝飾，相信大家都見過LED，它的身影已經(jīng)出現(xiàn)在了我們的生活的各個(gè)地方，也照亮著我們的生活。只有想不到的，沒有做不到的，LED領(lǐng)域*近都有哪些新技術(shù)值得關(guān)注?GaN Micro LED年復(fù)合增長率將達(dá)43.5%。氮化鎵(GaN)化合物半導(dǎo)體曾經(jīng)被推廣到LED芯片當(dāng)作襯底，盡管LED已屬成熟市場，但這些技術(shù)在功率電子和LED照明仍具備很大增長空間。

當(dāng)前LED燈的驅(qū)動(dòng)電路是由用各種分立元件組裝而成，如功率晶體管、電容器和邏輯控制IC等，在印刷電路板(PCB)上組裝連接在一起，由于通常的PCB板體積較大，它會(huì)像LED燈一樣需要占據(jù)相當(dāng)?shù)目臻g;但未來，固態(tài)照明完美的解決方案是在單個(gè)芯片上將LED器件、功率晶體管和控制器IC進(jìn)行單片集成。由于固態(tài)照明燈中的LED器件是基于GaN材料，所以其他全部器件也都必須采用寬禁帶的半導(dǎo)體材料來進(jìn)行制造。

采用這種方法將可以消除驅(qū)動(dòng)電路板和LED芯片之間互連的寄生的電感、電容和電阻，從而使整個(gè)照明系統(tǒng)可以在更高的開關(guān)速度下運(yùn)行，這樣可以提高整個(gè)照明系統(tǒng)的效率，并且可以縮小無源元件的尺寸，而小尺寸的電感器和電容器就能夠工作在更高的頻率下，形成一個(gè)尺寸更為精巧、性能更好的驅(qū)動(dòng)器電路。

這歸功于GaN器件技術(shù)方面的突破。

采用GaN這種材料體系來制作LED驅(qū)動(dòng)IC的技術(shù)也已經(jīng)成熟。LED驅(qū)動(dòng)IC可以用GaN材料進(jìn)行制造，并表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能：與傳統(tǒng)的Si晶體管相比，它們具有更高的擊穿電壓，更低的導(dǎo)通電阻和更高的工作頻率。Power Integrations*技術(shù)經(jīng)理閻金光解釋道，為什么GaN技術(shù)可以在把尺寸做小同時(shí)，又能兼顧效率?相比于傳統(tǒng)硅更有優(yōu)勢的是，GaN材料得以增大了輸出功率范圍和擊穿電壓范圍。

他舉例，例如使用GaN技術(shù)安全隔離型LED驅(qū)動(dòng)器，使用PowiGaN技術(shù)的大功率密度器件，可通過反激拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)110 W輸出功率和94%轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計(jì)，這也就是，為何PI近期宣布推出LYTSwitch-6系列安全隔離型LED驅(qū)動(dòng)器IC*成員LYT6079C、LYT6070C，他們和*功率器件一樣采用GaN技術(shù)同樣能夠增加效率和功率。此外，和傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)器方案相比，采用GaN技術(shù)后大幅簡化了電路。

新的LYTSwitch-6 IC無需使用散熱片，減小了鎮(zhèn)流器的尺寸和重量，并降低對(duì)驅(qū)動(dòng)器周邊風(fēng)冷環(huán)境的要求，和采用PowiGaN初級(jí)開關(guān)的InnoSwitch3器件一樣，可通過低RDS(ON)降低開關(guān)損耗。「相較于常規(guī)方案，這一改進(jìn)結(jié)合LYTSwitch-6現(xiàn)有的諸多特性，可使功率轉(zhuǎn)換效率提高3%，進(jìn)而減少三分之一以上的熱能浪費(fèi)，還可提供無損耗電流檢測來提高效率。」閻金光介紹到，「保留快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)可為并聯(lián)LED燈串提供交叉調(diào)整率，并且無需額外的二次穩(wěn)壓電路，同時(shí)還支持無閃爍系統(tǒng)工作。更加易于實(shí)現(xiàn)使用脈寬調(diào)制(PWM)接口的調(diào)光應(yīng)用。」

現(xiàn)代設(shè)備對(duì)視覺效果的要求越來越高，近眼顯示設(shè)備的亮度要求在增加，電池供電的消費(fèi)電子設(shè)備對(duì)高分辨率和高亮度的需求也在增加，正在進(jìn)一步推動(dòng)GaN Micro LED增長。根據(jù)Future Market Insights一份新報(bào)告預(yù)測，2019年全球GaN Micro LED的銷售額將同比增長33%，達(dá)到197,000美元，高于2018年的150,000美元。報(bào)告顯示，在2019年-2029年間，GaN Micro LED將以高達(dá)43.5%的驚人年復(fù)合增長率增長。

研究表明，2018年，中等功率的GaN Micro LED在所有GaN Micro LED中占據(jù)了75%的市場份額，并將成為未來幾年照明應(yīng)用的主流。另一方面，為了在整個(gè)照明器件保持全亮度而且并不明顯損失顯示亮度，低功率的GaN Micro LED需求可能會(huì)進(jìn)一步釋放。若從地區(qū)分布來看，2018年，北美貢獻(xiàn)了GaN Micro LED 26%的市場份額，并將繼續(xù)處于該市場的至前沿，歐洲地區(qū)緊隨美國之后，亞太市場也處于萌芽階段。

交流供電的LED，可降低照明成本

賓夕法尼亞州立大學(xué)的工程師已經(jīng)研發(fā)了一種實(shí)用的方法，可以使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制造工藝將氮化鎵LED及其電源電路集成到同一芯片上。其結(jié)果是一個(gè)照明芯片直接從壁掛式插座提供的交流電源供電，不需要在單獨(dú)的硅芯片和其他組件上進(jìn)行將電轉(zhuǎn)換為低壓直流電的中間步驟。賓夕法尼亞州立大學(xué)的工程師們將詳細(xì)的工作流程發(fā)表在了IEEE Transaction上。

據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)工程系教授Jian Xu介紹，將LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成到氮化鎵芯片上可以降低LED照明的制造成本和維持照明的成本。他說，高達(dá)60%的LED燈泡成本來自駕駛電子設(shè)備。而且，由于這些硅驅(qū)動(dòng)電子器件通常不如氮化鎵那么堅(jiān)固，它們往往在發(fā)光二極管本身失效之前就失效了。

LED燈中現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)電路有三個(gè)主要功能：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電(整流)，消除由此產(chǎn)生的直流電中的波紋，并將電壓降低到更適合LED的水平。Xu的團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的片上驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只執(zhí)行*功能(整流)，而不需要第三功能(降低電壓)。驅(qū)動(dòng)器由四個(gè)肖特基勢壘二極管(SBD)組成，它們被布置成一個(gè)橋式整流電路。SBD是由金屬和半導(dǎo)體之間的結(jié)形成的二極管。它們?cè)陔娏﹄娮釉O(shè)備中很常見，因?yàn)樗鼈兊恼螂妷航岛艿汀５壥侵圃焖鼈兊囊环N特別好的材料，因?yàn)樗哂泻芨叩膿舸╇妷海柚闺娏鞣聪蛄鲃?dòng)。

為了給LED提供合適的電壓，這些設(shè)備被構(gòu)建成一個(gè)陣列，并以每臺(tái)整流器22到40像素的像素串級(jí)。這樣，總的電壓降是110-120伏從墻上插座，但每個(gè)LED像素只能看到幾伏。

一個(gè)使用集成芯片原型的白色LED燈產(chǎn)生了相當(dāng)可觀的89流明每瓦。然而，由于SBD電橋輸出的是一個(gè)經(jīng)過整流的交流輸入，而不是一個(gè)大致恒定的電壓，因此LED具有120赫茲的閃爍，這將使其更適合室外照明應(yīng)用，如停車場和道路的燈具，在這些應(yīng)用中，低維護(hù)成本是至關(guān)重要的。但是光的質(zhì)量不那么重要。

集成一個(gè)LED燈的驅(qū)動(dòng)電路似乎是一個(gè)顯而易見的想法，但直到*近它還是遙不可及。「氮化鎵是一種全新的材料體系，」Xu說?！高@項(xiàng)技術(shù)*近才變得成熟，這就是為什么單芯片集成是一個(gè)非常新的想法。」之前的嘗試要求使用專門的LED結(jié)構(gòu)或制造工藝，這些結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，無法擴(kuò)大規(guī)?；?qū)ED效率造成太大損害。

解決*后一個(gè)問題是Xu的實(shí)驗(yàn)室取得成就的關(guān)鍵。在硅片制造中，可以用“濕”化學(xué)方法(如氫氟酸處理)將材料蝕刻成器件。但是氮化鎵太難工作，徐解釋說。因此，取而代之的是「干蝕刻」——感應(yīng)耦合等離子體蝕刻。不幸的是，這一過程可能會(huì)在表面留下效率下降的缺陷。盡管濕蝕刻不足以去除大部分半導(dǎo)體表面，但在一定時(shí)間內(nèi)，它可以幫助去除干蝕刻留下的缺陷層。他的團(tuán)隊(duì)*終發(fā)現(xiàn)了一系列干法蝕刻和濕法蝕刻，它們產(chǎn)生了低缺陷、高質(zhì)量的設(shè)備。Xu說，更好的是，這種「循環(huán)蝕刻」方法可以用來提高顯示器用微型LED的效率。

LED新型高效紅色熒光粉誕生

人眼對(duì)綠色特別敏感，對(duì)藍(lán)色和紅色不敏感。因斯布魯克大學(xué)Hubert Huppertz領(lǐng)導(dǎo)的化學(xué)家開發(fā)出一種新的紅色熒光粉，其光線能被人們所感知。這使高顯色白色LED的光效增加了大約六分之一，顯著提高照明系統(tǒng)的能量效率。

這種紅色熒光粉化學(xué)式為Sr [Li2Al2O2N2]：Eu2 +，由研究人員命名為SALON，滿足熒光粉光學(xué)性能的所有要求。這種熒光粉可追溯到拜羅伊特大學(xué)的休伯特·胡珀茨(Hubert Huppertz)所進(jìn)行的研究，作為博士論文的一部分，他開發(fā)了摻雜螢光的氮化物。然后由慕尼黑的工作組進(jìn)一步優(yōu)化，現(xiàn)在已被廣泛使用。SALON熒光粉雖然在可見光范圍內(nèi)發(fā)出紅光，但很大一部分能量會(huì)進(jìn)入紅外范圍，人眼無法察覺。

▲ 掃描電鏡與XRD分析

「*初的實(shí)驗(yàn)，我們只能在非常不均勻的樣品中得到少量非常小的可用顆粒，因此難以優(yōu)化合成，」博士生Gregor Hoerder說。目前研究人員已經(jīng)能夠分離出單晶，從而確定新材料的結(jié)構(gòu)時(shí)，取得了重大突破。休伯特·胡珀茨說：「這種物質(zhì)的合成方式使得它的發(fā)射峰向左移動(dòng)，減少了紅外的發(fā)射，能量損失更少?！?/p>

▲能譜分析

歐司朗光電半導(dǎo)體是一家強(qiáng)大的工業(yè)合作伙伴，位于哈勒的弗勞恩霍夫材料與系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)研究所和慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)的Dirk Johrendt研究小組也參與了新材料的進(jìn)一步表征。該開發(fā)已經(jīng)注冊(cè)了專利。以上就是LED技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來的LED燈回越來越高效，使用壽命也會(huì)由很大的提升，為我們帶來更大便利。