硅上的氮化鎵LED在敏感型住宅市場(chǎng)的發(fā)展

硅上的氮化鎵（GaN on Si）LED預(yù)計(jì)將成為降低LED定價(jià)的關(guān)鍵，足以扭轉(zhuǎn)成本敏感型住宅市場(chǎng)的潮流。正在進(jìn)行的研究工作正在開始取得成果，而在藍(lán)寶石材料上使用傳統(tǒng)GaN的制造商也成功地降低了成本。

本文將概述GaN在硅的開發(fā)方面的最新技術(shù)，以及通過利用大批量，大尺寸，晶圓尺寸的半導(dǎo)體加工技術(shù)，它可以降低生產(chǎn)成本。在英國，Plessey Semiconductors是首批在Si晶圓上使用GaN的LED生產(chǎn)商之一。與此同時(shí)，Cree是LED市場(chǎng)上GaN材料的先驅(qū)。他們最新的TW（真正的白色）系列LED燈泡正在美國制定標(biāo)準(zhǔn)。

我們將審查一系列基于LED的替換燈泡和燈管，包括Cree，ROHM和LEDdynamics等公司，針對(duì)改造市場(chǎng)在住宅領(lǐng)域。

圖1：左圖：Cree最新的TW 60 W燈泡更換使用SiC上的GaN LED。右圖：LEDdynamics的EverLED TR系列LED替換燈采用飛利浦Lumileds Luxeon LED。

商業(yè)優(yōu)勢(shì)與技術(shù)挑戰(zhàn)

氮化鎵（GaN）自20世紀(jì)90年代以來一直常用于LED。其硬度，熱容量和導(dǎo)熱性能對(duì)于當(dāng)今廣泛使用的高亮度，日光可見，彩色和白色裝置的開發(fā)至關(guān)重要。然而，盡管LED具有引人注目的特性，但單位成本仍然是某些消費(fèi)領(lǐng)域的障礙。在LED芯片的硅基板上開發(fā)氮化鎵的巨大吸引力在于降低生產(chǎn)成本。市場(chǎng)研究公司Lux Research在最近的一份報(bào)告中稱，1上Si的材料成本僅為傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底的八分之一。

通過使用更大的晶圓尺寸，從而產(chǎn)生成本效益提高每個(gè)晶圓的產(chǎn)量。這通常是6英寸，8英寸或甚至12英寸晶片，而基于藍(lán)寶石的基板為4英寸，盡管6英寸藍(lán)寶石襯底晶片現(xiàn)在是可行的。此外，通過使用快速移動(dòng)的集成電路市場(chǎng)留下的設(shè)備齊全且已經(jīng)折舊的硅晶圓代工廠，理論上可以降低生產(chǎn)成本。

許多主要的LED制造商已經(jīng)認(rèn)識(shí)到GaN在Si技術(shù)上的潛力，以降低生產(chǎn)成本。包括Osram，ROHM，Toshiba（通過收購Bridgelux資產(chǎn)）和Plessey Semiconductors在內(nèi)的公司現(xiàn)在開始在市場(chǎng)上銷售Si LED芯片上的GaN。然而，根據(jù)Lux的說法，藍(lán)寶石上的GaN仍然是目前制造的90％LED的首選材料。對(duì)于未來，Lux預(yù)測(cè)到2020年外延晶圓的市場(chǎng)將增長到40億美元，其中Si晶圓上的GaN將達(dá)到10％。

Lux的報(bào)告指出，硅上的GaN需要克服技術(shù)挑戰(zhàn)。 ，主要是由于硅和GaN晶格之間的物理不匹配。這種不匹配，以及晶圓尺寸，產(chǎn)量和成本的動(dòng)態(tài)，是Lux相信Si在硅上的市場(chǎng)將受到限制的原因，并且該技術(shù)甚至可能錯(cuò)失市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

Si on GaN錯(cuò)配被認(rèn)為比GaN和藍(lán)寶石襯底之間經(jīng)歷的問題更多，這反過來比使用碳化硅（SiC）技術(shù)上的GaN更重要。由Cree推動(dòng)的SiC預(yù)計(jì)到2020年將占據(jù)18％的市場(chǎng)份額。

新成員Soraa是GaN技術(shù)的先驅(qū)，完全消除了不匹配問題，盡管GaN上的GaN不具備GaN的成本優(yōu)勢(shì)潛力在Si承諾。有關(guān)Soraa方法的更多內(nèi)容將在另一篇文章中介紹，2更多關(guān)于所謂的“基板戰(zhàn)爭(zhēng)”的內(nèi)容可以在另一篇TechZone文章中找到。3

材料主導(dǎo)

在英國，Plessey Semiconductors正在領(lǐng)先開發(fā)基于專有GaN on Si技術(shù)的高亮度LED，于2011年從劍橋大學(xué)衍生出來的CamGaN獲得。 Plessey在其位于英國普利茅斯的鑄造廠使用6英寸硅晶片（具有8英寸晶圓的R＆amp; D路徑），完善了使用更薄的GaN層的技術(shù)，僅在緩沖層和外延層上使用2微米厚，相比之下Si公司正在使用6到8μm的其他GaN。該公司聲稱能夠以顯著降低的制造成本匹配行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)性能，以實(shí)現(xiàn)從標(biāo)準(zhǔn)60 W燈泡到LED燈驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的開關(guān)的目標(biāo)。

通過使用獲得成本優(yōu)勢(shì)較大的6英寸硅晶圓，比替代品便宜得多，而且每個(gè)晶圓的芯片數(shù)量更多，廢品減少。更薄的層允許更少的沉積時(shí)間和更多的批次每天。

Plessey的第一個(gè)GaN on Si LED，Magic PL111010和PLB010050系列的詳細(xì)信息現(xiàn)已最終確定并可用，PL111010現(xiàn)已批量供貨。還提供另外八個(gè)左右設(shè)備的高級(jí)產(chǎn)品信息。該公司報(bào)告稱，它將很快推出60至70流明/瓦范圍內(nèi)的LED，以及白熾燈更換設(shè)備。

東芝宣稱將從藍(lán)寶石上的GaN遷移到硅上GaN，目的是為通用應(yīng)用提供當(dāng)前LED的具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的替代方案。據(jù)東芝公司稱，降低成本的關(guān)鍵是能夠使用現(xiàn)有的制造設(shè)備在低成本，200毫米（8英寸）硅晶圓上制造LED。在與Bridgelux合作開發(fā)GaN on Si技術(shù)后，東芝迅速宣布推出新器件。他們新的Leteras系列設(shè)備的第一批零件于去年11月（2013年）投入批量生產(chǎn)這包括1 W TL1F2 LED，位于該系列的核心，具有高發(fā)光效率和完整的相關(guān)色溫范圍2700至6500K，最小CRI值為70或80.比較發(fā)光效率以及低和均勻據(jù)稱正向電壓是證明基板失配挑戰(zhàn)已在很大程度上被克服的關(guān)鍵。 1 W LED的典型光通量范圍為104至235流明，具體取決于色溫和CRI。其他系列，特別針對(duì)室內(nèi)，改造應(yīng)用，包括0.6至0.9 W TL3GA，最初提供4000和5000K CCT和80 CRI版本，以及在2700至6500K范圍內(nèi)提供的0.2至0.5 W TL2FK系列。

另一個(gè)歐洲德國Azzurro公司的開發(fā)，在硅襯底和GaN之間使用緩沖層來克服不匹配問題。然后，其模板晶圓可供LED制造商用于生產(chǎn)他們自己的LED設(shè)計(jì)。與歐司朗半導(dǎo)體以及遠(yuǎn)東公司的合作可能會(huì)在不久的將來在Si LED上產(chǎn)生GaN。

圖2：藍(lán)寶石上的GaN和Azzurro的GaN上的比較Si接近。

取代白熾燈

同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)國產(chǎn)白熾燈泡的LED替代品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，價(jià)格也在下降，無論采用何種材料技術(shù)。然而，質(zhì)量是一個(gè)問題，因?yàn)槟承┦袌?chǎng)上的一些最便宜的型號(hào)與消費(fèi)者期望的性能和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不相符。近年來，LED技術(shù)得到了改進(jìn)，制造商們努力證明LED的性能。替換不僅符合（或超過）現(xiàn)有技術(shù)的質(zhì)量和性能，而且提供額外的，理想的品質(zhì)。因此，許多因素可能有助于說服公眾轉(zhuǎn)向LED燈。其中包括：改進(jìn)的CRI，在某些型號(hào)中現(xiàn)已超過90;可調(diào)光性和改善的全向光輸出;高亮度（100 W當(dāng)量）燈的可用性;能夠從暖白（2700K）選擇色溫，類似于白熾燈，再到冷卻5000K‘日光’外觀。但是，制造商意識(shí)到更高的單位成本通常仍然是大規(guī)模采用的關(guān)鍵限制因素。價(jià)格差異很大，從LED燈泡的13美元到120美元以上，而傳統(tǒng)燈泡價(jià)格不到2美元。為了證明溢價(jià)的合理性，大多數(shù)供應(yīng)商都在引用燈泡壽命期間的整體成本節(jié)約。這通常在100美元到300多美元之間，取決于當(dāng)?shù)氐碾娏Τ杀?。越來越多的消費(fèi)者現(xiàn)在開始理解并接受“終生成本節(jié)約”的論點(diǎn)，但還不夠。作為回應(yīng)，為了刺激大規(guī)模采用，LED行業(yè)正在設(shè)定目標(biāo)，將標(biāo)準(zhǔn)60 W替代品的價(jià)格降至10美元。

3D for omnidirectional light

Cree基于SiC on SiC技術(shù)開發(fā)了廣泛的LED芯片，模塊和燈業(yè)務(wù)，最近宣布推出一系列TW（真白色）LED燈泡，設(shè)計(jì)為40 W和60 W白熾燈的直接替代品。這些軟白燈泡的額定功率分別為8.5 W（450流明）和13.5 W（800流明），色溫為2700K，CRI為93，聲稱壽命為128美元。

圖3：Cree的TW系列60 W LED替換燈泡的內(nèi)部顯示燈絲塔。

Cree的TW系列60 W更換燈泡的核心是一個(gè)包含20個(gè)LED模塊的燈絲塔（10個(gè)在40 W替換版本）提供全向光，可與傳統(tǒng)燈泡相媲美（見上圖3）。 TW系列的另一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別是在玻璃中加入釹（使其呈現(xiàn)圖1中所示的藍(lán)色外觀），它可作為缺口（光譜）濾光片，濾除多余的黃色并使光線變亮。 》有趣的是，Cree還出售其他原始設(shè)備制造商的LED用于他們的燈具。他們?cè)谧约旱臒襞莞鼡Q中使用的一系列設(shè)備，如上圖所示，是XT-E系列。 XT-E HVW高壓LED具有2700K的CCT，用于柔和的白光，12 V正向電壓和92 lm/W的輸出。該系列中的其他器件覆蓋高達(dá)6200K的CCT，光輸出范圍為67至105 lm/W，正向電壓為12，24或48 V，可產(chǎn)生一系列應(yīng)用，包括日光燈泡和聚光燈更換。

最后今年，Cree推出了他們的CXA系列板上芯片（COB）LED陣列的新成員，這些LED陣列也用于改裝燈應(yīng)用。 CXA1304系列可提供高達(dá)1034流明的亮度，典型功效為102流明/瓦。 CCT范圍從2700到5000K。采用更小的6 mm發(fā)光表面，非常適用于更緊湊的筒燈和小型反射燈泡。該產(chǎn)品系列中的典型器件CXA1304-0000-000C00A427F用于暖白光（2700K），額定電流為368流明，正向電壓為9 V.

12 mm CXA1816用于替代70 W陶瓷金屬鹵化物聚光燈，以及較小的燈具和改型燈。該系列產(chǎn)品具有高達(dá)3000流明的亮度，色溫為2700至5000K。 CXA1816-0000-000N00Q2250F是冷白色5000K器件的典型示例，具有2180流明的光輸出和37V的正向電壓。

ROHM Semiconductor還采用3D方法在LED內(nèi)部組裝LED燈泡外殼，以產(chǎn)生類似于標(biāo)準(zhǔn)燈泡發(fā)出的漫射光（見下圖4）。該公司提供的模型可提供日光白光或暖光，以模仿白熾燈泡。用于日光白光應(yīng)用的6 W R-B10N1具有390流明的光通量和100 VAC的正向電壓。 6 W R-B10L1白熾燈版本的光輸出為330流明。

圖4：ROHM R-B10N1燈泡內(nèi)3D LED模塊的發(fā)光照明強(qiáng)度極坐標(biāo)圖。熒光燈已經(jīng)過時(shí)

熒光燈管的替代市場(chǎng)可能比白熾燈泡更大，因?yàn)樗鼈內(nèi)绱藦V泛用于工業(yè)和商業(yè)空間，以及住宅應(yīng)用，如車庫和車間。一旦消費(fèi)者開始關(guān)注終身成本而不僅僅是單位成本，LED替代品的經(jīng)濟(jì)案例就具有可比性。同樣，定價(jià)存在巨大差異。標(biāo)準(zhǔn)T8熒光燈管價(jià)格不到5美元。 LED替代產(chǎn)品的成本從35美元（主要是從中國進(jìn)口的廉價(jià)進(jìn)口產(chǎn)品）到價(jià)格超過100美元的部分產(chǎn)品，需要相當(dāng)高的報(bào)酬。

有些公司報(bào)告節(jié)能，壽命更長，投資回收期不到2年并降低維護(hù)成本，特別是對(duì)于較大的24/7應(yīng)用。很明顯，低成本的GaN on Si LED有很大機(jī)會(huì)產(chǎn)生價(jià)格差異，并且可以更快地切換到節(jié)能LED版本。

LED燈的其他運(yùn)營優(yōu)勢(shì)可能會(huì)對(duì)熒光燈管更換市場(chǎng)。 LED燈管立即開啟和關(guān)閉，沒有閃爍，沒有嗡嗡聲是關(guān)鍵的吸引力。其他因素，如顏色一致性和色溫選擇也很有吸引力。對(duì)于注重生態(tài)的消費(fèi)者而言，選擇不含有危險(xiǎn)廢物（鉛，汞或氣體）的燈具很重要。

許多制造商已經(jīng)開發(fā)出可以簡(jiǎn)單地安裝到流行的T8/T12中的替換管固定裝置，而其他人則為需要新的或升級(jí)的照明解決方案的客戶開發(fā)了新的固定裝置。包括Cree和Osram在內(nèi)的公司不僅生產(chǎn)改造管，而且還生產(chǎn)用于其他OEM的LED，以生產(chǎn)適合當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)的設(shè)備。

圖5：LEDdynamics EverLED TR插入式熒光燈替代品幾年前，LEDdynamics公司推出了EverLED-TR和EverLED-VE系列的首批LED插入式熒光燈管替代產(chǎn)品。聲稱可與幾乎所有標(biāo)準(zhǔn)熒光燈鎮(zhèn)流器（包括緊急備用鎮(zhèn)流器）兼容，可輕松更換現(xiàn)有燈管。 TR系列48英寸T8燈管額定功率為20 W，可提供3000K（ET8S48830），4000K（ET8S48840）和5000K（ET8S48750）色溫，典型光輸出為1600至2000流明，光效最高到100 lm/W.對(duì)于3000和4000K單位，CRI報(bào)價(jià)為85，對(duì)于5000K，報(bào)價(jià)為75。美國生產(chǎn)的TR系列產(chǎn)品每個(gè)售價(jià)約113美元，并保證運(yùn)行10年低成本版本，每個(gè)約69美元，據(jù)稱可提供相同的質(zhì)量和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)將持續(xù)10年，但保證5年。 ET8V48830，ET8V48840和ET8V48750是等效的暖色，中性和冷白色版本。

ROHM提供多種LED日光燈替換燈，型號(hào)范圍從20 W到110 W，以及防水版本，適合廣泛的應(yīng)用程序。 40 W R-FAC40BN1取代標(biāo)準(zhǔn)的48英寸管，提供5000K的CCT，以提供冷白光。發(fā)光通量報(bào)價(jià)為1980 lm，輸入電壓為100至242 VAC。功耗僅為11 W，較低成本的R-FAC20BN1具有相似的功能，但光通量較低，為890流明。這些燈管的使用壽命為40，000小時(shí)，相當(dāng)于每天12小時(shí)超過9年。