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改善的硅衬底发光二极管地址高固态照明本钱
关于今日的高亮度LED的干流技能是氮化镓(GaN)在蓝宝石或碳化硅(SiC)衬底。这些资料很受欢迎，由于所发生的LED灯是光亮的，高效的，而且持续很长时刻。但是，这些芯片是很难制作和包装成可用设备，乘以运用它们作为光引擎的终究产品的本钱。尽管价格暴降近几年，LED照明仍是适当购买比传统的代替更为贵重。这个初始费用被认为是一个主要要素放缓的固态照明(SSL)的检验。
制作商是一家具有创始集团一向尽力经过与硅(Si)代替蓝宝石或SiC衬底，以下降高功率LED的本钱，资料一般用来制作大多数电子芯片(“芯片”)。最要害的长处是十分贱价供给晶片，并运用价值下降8英寸晶圆厂的LED制作时机。兼并后，这些概念能够极大地下降了LED的价格，战胜顾客的对立。
开端，技能应战限于上GaN硅LED的功用，这使得它们没有吸引力为干流照明。现在，一些厂商，特别是东芝现已推出了新一代这些LED具有大大进步功用，在极具竞赛力的价格，使之成为一个可行的代替惯例的设备在许多运用中。
本文回忆硅衬底LED的开发和描绘的最新一代的商业设备。
倒推LED的本钱
尽管它采取了许多年，数百万美元的研制经费，现代LED是一种具有本钱效益的代替传统光源，如白炽灯泡，荧光灯管，和卤素灯为干流照明时要素，如开端的购买价格，动力耗费，和寿数的考虑，确认“具有本钱。”
最近的一项陈述1分析师麦肯锡公司的结论是，到2016年(这取决于怎么快速的LED价格持续跌落)，一个LED灯具的报答(由于较低的运转本钱和更长的运用寿数)，将抵消较高的初始购买价格比较， 1.7和3.9岁之间的紧凑型荧光灯(CFL)。在2011年相应的核算发生了约14年的数字。 (图1)
LED灯泡与CFL灯泡回收期图片
图1：LED灯泡与CFL灯泡在住所商场的出资回收期(黑线代表基本情况，更轻的线代表更快的LED价格腐蚀)。 (麦肯锡公司供给)
不幸的是，在同一份陈述中得出的结论是，尽管在照明运用攀爬LED的商场比例为45%左右，到2015年，“LED照明产品的价格溢价依然很高，开端的购买价格较明显妨碍决议计划者决议计划时考虑到一般照明运用的初期出资“。
考虑到LED灯代替，如飞利浦的100 W(白炽灯)，适当于PAR38 LED灯泡零售价为$ 22 $ 12的同一家公司的100瓦适当于T2扭腰CFL和一个100 W当量的EcoSmart $ 6时比较，这缄默沉静或许并不古怪卤素灯泡。
LED灯泡的本钱的一个要害要素是LED芯片自身。每个LED灯泡一般包含的六个，八个，或十个LED芯片，其每一个从特别资料制作的一个杂乱的晶片制作进程，然后贵重包装在三或四步安装操作的阵列。用更廉价的代替品代替无论是资料和制作本钱将大大下降LED的初始购买价格，鼓舞更多的快速遍及。
硅的代替
在电子革新是建立在硅;一个安稳的，廉价的，丰厚的半导体，很简单长成的晶体，片成片，并遭到CMOS工艺把每片晶圆到不计其数的IC。此外，巨大的出资现已取得了代工厂大批量出产这种芯片，压低单位本钱只是美分。
最近，芯片制作商已移动到运用12英寸(300毫米)的晶片为质料的更有用的晶片制作工艺，替换旧8英寸(200毫米)的切片。其结果是，存在过量的国际各地的8英寸容量其间一些主张可转向LED制作，大幅下降了终究产品的价格。
大多数今世LED被从GaN的组合，其特色适于发射在光谱的可见部分的光子，在蓝宝石衬底上的带隙构成。的GaN薄膜经过称为外延的办法，其间建立了LED的有源区由在衬底上接连层堆积成长。一个缺点是在GaN的晶格间隔(在晶体结构中的单个原子之间的单位间隔)，并在蓝宝石基板这导致在活性区微观缺点之间的不匹配。这些缺点，也被称为穿透位错，危及两个LED的亮度和寿数。
碳化硅具有被更严密匹配的GaN比蓝宝石，减少了缺点密度，而且由起伏中的至少一个，有时两个数量改善成效和长命的晶体结构。 (见技能专区的文章“资料和制作的改善进步发光功率。”)
蓝宝石和碳化硅不只出产本钱高，但也难以可靠地制作在晶片上大于4英寸(100毫米)的直径。除了是更廉价和更简单运用，8英寸硅片只需要稍长处理比晶片尺度为4英寸。终究的结果是，工厂能够出产四倍(8英寸晶片的外表面积是4倍，4英寸1(图2)，而在同一时刻削去资料和加工本钱。
2-，4-，6-，和8英寸晶片的比较图画
图2：2-，4-，6-比较，以及8英寸晶片。
但是，切换到硅作为衬底用于LED提出严峻的技能应战。其间最主要的是，硅的晶体结构是一个更糟糕的失配的GaN比蓝宝石。更糟糕的是，硅具有热膨胀的GaN一个十分不同的系数。这两个要素导致被并入到导致微裂纹当晶片冷却制作期间晶片严峻的拉伸应力。破解LED功用欠安，如果在一切。更糟糕的是，硅是应该逸出并有助于LED的亮度的光子的一个很好的吸收器。这样一来，从前期的氮化镓上硅LED的光提取是一个季度中，从建立在蓝宝石同类器材三分之一(拜见技能专区的文章“将硅衬底推LED照明成干流?”)
一些创业公司都坚持他们的开展计划，并一起氮化镓上硅发光二极管依然落后的氮化镓上的蓝宝石或碳化硅LED的亮度，作用好，运用寿数长，对今日的实验台设备不从前期设备的功用差遭受而且能够在惯例LED的本钱的一小部分进行。
第二代硅
如惯例LED现已稳步进步(一起减少了所需的单一白炽灯或荧光灯泡的输出相匹配的LED的数目)一个新的商场拓荒了“中档”的LED。中档芯片不能满意当今高端设备的功用，而是供给了合理的功用(例如，供给亮度和寿数适当于两三年的最高标准的芯片前)在预算价格(见技能专区文章“中等功率LED可供给较廉价的代替照明运用”)。
中档商场的开展拓荒了氮化镓上硅芯片的时机。今日的硅衬底LED的功用能够轻松匹配的中档氮化镓上的蓝宝石或碳化硅，而削弱了后者的价格。
东芝(开端曾与普瑞的合资企业，但后来又买了在合资企业合作伙伴的股份)在氮化镓上硅LED的供给商领先者之一。
东芝是能够了解腼腆它怎么处理了GaN和硅之间的晶格和热 – 不匹配的技能难题，并取得了一些揭露声明，但被收买之前，普瑞也标明，“拉伸应变的问题是运用专有的处理缓冲层(GaN和硅之间)“。
关于东芝的研讨更多相关信息，科学论文可用。发表于2006年2月的一个例题介绍怎么东芝公司研讨人员按捺裂纹发生，一般困扰氮化镓外延硅选用“立方碳化硅”作为中间层。立方SiC的大约GaN和硅之间的半途的晶格常数，协助减轻，否则将积累并导致氮化镓和硅中的邻接层之间开裂的应力。
研讨人员陈述说，碳化硅上的传统的8英寸硅晶片的顶部上的1微米的层是足以按捺在活性GaN层开裂。尽管略高于堆积氮化镓到“裸”芯片更贵，这个进程仍是比制作蓝宝石或SiC晶圆，由于它依然是建立在廉价的硅制作工艺本钱要低得多。
东芝公司还宣称，其氮化镓上硅工艺合适于出产大“体积发射”单LED芯片直接从晶圆，而无需经过传统LED的拼装进程(图3)。这种技能的长处是更高的本钱节省和单一的LED或许日益盛行上芯片板(COB)阵列竞赛 – 产品，包含多个传统LED预先拼装成一个单一的单元(拜见技能专区文章“的鼓起芯片上的电路板LED模块“)。
东芝的氮化镓上硅处理图画
图3：东芝的氮化镓上硅进程使包装卷 – 发射极LED可直接从晶片切开，而不需要经过一个传统的包装process3。 (东芝供给)
现有产品
东芝初次推出了一系列的氮化镓上硅产品在2012年末的TL1F1 1瓦LED供给112流明(112流明/瓦的成效，在2.9伏的电压和350 mA的电流)为冷白色( 5000 K)的设备。
十个月后，该公司发布了修订后的规模(TL1L3家庭) – 最新的商用产品开端批量供货 – 它供给了135流明(135流明/瓦，2.85 V，350毫安)。然后，在2015年年头，公司发布了TL1L4家庭，它宣称代表从上一代的氮化镓上硅器材60%的功用跳动的样品体积。顶部的规模是1瓦，冷白光(5000 K，显色指数(CRI)70)的产品，供给160流明(160流明/瓦，2.8V，350 mA)的。其它变体可横跨2700至6500 K的温度规模内。该芯片是由3.5毫米包(图4)装在一个3.5。
在Si的LED东芝TL1L4家庭氮化镓的图画
图4：TL1L4在Si系列的LED氮化镓许诺160流明从3.5×3.5 mm封装。
该TL1L4宗族的功用与高端的惯例产品混为一谈量产，如Cree公司的XLamp XM-L2(155流明/瓦，2.85 V，700 mA)的和欧司朗的OSLON广场(163流明/瓦，3.05 V，700嘛)。东芝的产品实际上是供给比价格竞赛力的中档设备，如Cree公司的XLamp MX-3S(85流明/ W，10.7 V，115毫安)和Philips Lumileds的LUXEON 3535L(121流明/瓦，3.05 V，百毫安更好的功用)。
更大的亮度(在下降成效的本钱)的TL1L4产品能够与1 A的正向电流操作或乃至1.5甲只需芯片的结温保持在低于150℃。东芝公司解说说，TL1L4系列的功用水平使得它合适干流照明运用，如国内筒灯，路灯，泛光灯和。
弥补技能
现在，照明耗费了国际动力的19%左右。据估计，大规模选用LED灯将减少经过，由于他们高得多的成效四分之三。尽管价格自然会持续跌落，高功用的可用性而相对低本钱的氮化镓上硅像东芝许诺指示灯来加快这一进程，使灯光师供给了战胜高初始顾客的对立SSL处理方案收买价。
这种代替技能将是不或许永久逾越今世高端设备;但它的确供给了一个弥补现有的技能 – 专利问题放在一边 – 能够被捡起其他公司发生竞赛，推进价格依然较低，并增加了照明商场的SSL的比例。
