硅上的氮化镓LED在敏感型住宅市场的发展

硅上的氮化镓（GaN on Si）LED预计将成为降低LED定价的关键，足以扭转成本敏感型住宅市场的潮流。正在进行的研究工作正在开始取得成果，而在蓝宝石材料上使用传统GaN的制造商也成功地降低了成本。

本文将概述GaN在硅的开发方面的最新技术，以及通过利用大批量，大尺寸，晶圆尺寸的半导体加工技术，它可以降低生产成本。在英国，Plessey Semiconductors是首批在Si晶圆上使用GaN的LED生产商之一。与此同时，Cree是LED市场上GaN材料的先驱。他们最新的TW（真正的白色）系列LED灯泡正在美国制定标准。

我们将审查一系列基于LED的替换灯泡和灯管，包括Cree，ROHM和LEDdynamics等公司，针对改造市场在住宅领域。

图1：左图：Cree最新的TW 60 W灯泡更换使用SiC上的GaN LED。右图：LEDdynamics的EverLED TR系列LED替换灯采用飞利浦Lumileds Luxeon LED。

商业优势与技术挑战

氮化镓（GaN）自20世纪90年代以来一直常用于LED。其硬度，热容量和导热性能对于当今广泛使用的高亮度，日光可见，彩色和白色装置的开发至关重要。然而，尽管LED具有引人注目的特性，但单位成本仍然是某些消费领域的障碍。在LED芯片的硅基板上开发氮化镓的巨大吸引力在于降低生产成本。市场研究公司Lux Research在最近的一份报告中称，¹上Si的材料成本仅为传统蓝宝石衬底的八分之一。

通过使用更大的晶圆尺寸，从而产生成本效益提高每个晶圆的产量。这通常是6英寸，8英寸或甚至12英寸晶片，而基于蓝宝石的基板为4英寸，尽管6英寸蓝宝石衬底晶片现在是可行的。此外，通过使用快速移动的集成电路市场留下的设备齐全且已经折旧的硅晶圆代工厂，理论上可以降低生产成本。

许多主要的LED制造商已经认识到GaN在Si技术上的潜力，以降低生产成本。包括Osram，ROHM，Toshiba（通过收购Bridgelux资产）和Plessey Semiconductors在内的公司现在开始在市场上销售Si LED芯片上的GaN。然而，根据Lux的说法，蓝宝石上的GaN仍然是目前制造的90％LED的首选材料。对于未来，Lux预测到2020年外延晶圆的市场将增长到40亿美元，其中Si晶圆上的GaN将达到10％。

Lux的报告指出，硅上的GaN需要克服技术挑战。 ，主要是由于硅和GaN晶格之间的物理不匹配。这种不匹配，以及晶圆尺寸，产量和成本的动态，是Lux相信Si在硅上的市场将受到限制的原因，并且该技术甚至可能错失市场机会。

Si on GaN错配被认为比GaN和蓝宝石衬底之间经历的问题更多，这反过来比使用碳化硅（SiC）技术上的GaN更重要。由Cree推动的SiC预计到2020年将占据18％的市场份额。

新成员Soraa是GaN技术的先驱，完全消除了不匹配问题，尽管GaN上的GaN不具备GaN的成本优势潜力在Si承诺。有关Soraa方法的更多内容将在另一篇文章中介绍，²更多关于所谓的“基板战争”的内容可以在另一篇TechZone文章中找到。³

材料主导

在英国，Plessey Semiconductors正在领先开发基于专有GaN on Si技术的高亮度LED，于2011年从剑桥大学衍生出来的CamGaN获得。 Plessey在其位于英国普利茅斯的铸造厂使用6英寸硅晶片（具有8英寸晶圆的R＆amp; D路径），完善了使用更薄的GaN层的技术，仅在缓冲层和外延层上使用2微米厚，相比之下Si公司正在使用6到8μm的其他GaN。该公司声称能够以显着降低的制造成本匹配行业标准性能，以实现从标准60 W灯泡到LED灯驱动经济实惠的开关的目标。

通过使用获得成本优势较大的6英寸硅晶圆，比替代品便宜得多，而且每个晶圆的芯片数量更多，废品减少。更薄的层允许更少的沉积时间和更多的批次每天。

Plessey的第一个GaN on Si LED，Magic PL111010和PLB010050系列的详细信息现已最终确定并可用，PL111010现已批量供货。还提供另外八个左右设备的高级产品信息。该公司报告称，它将很快推出60至70流明/瓦范围内的LED，以及白炽灯更换设备。

东芝宣称将从蓝宝石上的GaN迁移到硅上GaN，目的是为通用应用提供当前LED的具有成本竞争力的替代方案。据东芝公司称，降低成本的关键是能够使用现有的制造设备在低成本，200毫米（8英寸）硅晶圆上制造LED。在与Bridgelux合作开发GaN on Si技术后，东芝迅速宣布推出新器件。他们新的Leteras系列设备的第一批零件于去年11月（2013年）投入批量生产这包括1 W TL1F2 LED，位于该系列的核心，具有高发光效率和完整的相关色温范围2700至6500K，最小CRI值为70或80.比较发光效率以及低和均匀据称正向电压是证明基板失配挑战已在很大程度上被克服的关键。 1 W LED的典型光通量范围为104至235流明，具体取决于色温和CRI。其他系列，特别针对室内，改造应用，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范围内提供的0.2至0.5 W TL2FK系列。

另一个欧洲德国Azzurro公司的开发，在硅衬底和GaN之间使用缓冲层来克服不匹配问题。然后，其模板晶圆可供LED制造商用于生产他们自己的LED设计。与欧司朗半导体以及远东公司的合作可能会在不久的将来在Si LED上产生GaN。

图2：蓝宝石上的GaN和Azzurro的GaN上的比较Si接近。

取代白炽灯

同时，标准国产白炽灯泡的LED替代品市场竞争激烈，价格也在下降，无论采用何种材料技术。然而，质量是一个问题，因为某些市场上的一些最便宜的型号与消费者期望的性能和质量标准不相符。近年来，LED技术得到了改进，制造商们努力证明LED的性能。替换不仅符合（或超过）现有技术的质量和性能，而且提供额外的，理想的品质。因此，许多因素可能有助于说服公众转向LED灯。其中包括：改进的CRI，在某些型号中现已超过90;可调光性和改善的全向光输出;高亮度（100 W当量）灯的可用性;能够从暖白（2700K）选择色温，类似于白炽灯，再到冷却5000K‘日光’外观。但是，制造商意识到更高的单位成本通常仍然是大规模采用的关键限制因素。价格差异很大，从LED灯泡的13美元到120美元以上，而传统灯泡价格不到2美元。为了证明溢价的合理性，大多数供应商都在引用灯泡寿命期间的整体成本节约。这通常在100美元到300多美元之间，取决于当地的电力成本。越来越多的消费者现在开始理解并接受“终生成本节约”的论点，但还不够。作为回应，为了刺激大规模采用，LED行业正在设定目标，将标准60 W替代品的价格降至10美元。

3D for omnidirectional light

Cree基于SiC on SiC技术开发了广泛的LED芯片，模块和灯业务，最近宣布推出一系列TW（真白色）LED灯泡，设计为40 W和60 W白炽灯的直接替代品。这些软白灯泡的额定功率分别为8.5 W（450流明）和13.5 W（800流明），色温为2700K，CRI为93，声称寿命为128美元。

图3：Cree的TW系列60 W LED替换灯泡的内部显示灯丝塔。

Cree的TW系列60 W更换灯泡的核心是一个包含20个LED模块的灯丝塔（10个在40 W替换版本）提供全向光，可与传统灯泡相媲美（见上图3）。 TW系列的另一个关键区别是在玻璃中加入钕（使其呈现图1中所示的蓝色外观），它可作为缺口（光谱）滤光片，滤除多余的黄色并使光线变亮。 》有趣的是，Cree还出售其他原始设备制造商的LED用于他们的灯具。他们在自己的灯泡更换中使用的一系列设备，如上图所示，是XT-E系列。 XT-E HVW高压LED具有2700K的CCT，用于柔和的白光，12 V正向电压和92 lm/W的输出。该系列中的其他器件覆盖高达6200K的CCT，光输出范围为67至105 lm/W，正向电压为12，24或48 V，可产生一系列应用，包括日光灯泡和聚光灯更换。

最后今年，Cree推出了他们的CXA系列板上芯片（COB）LED阵列的新成员，这些LED阵列也用于改装灯应用。 CXA1304系列可提供高达1034流明的亮度，典型功效为102流明/瓦。 CCT范围从2700到5000K。采用更小的6 mm发光表面，非常适用于更紧凑的筒灯和小型反射灯泡。该产品系列中的典型器件CXA1304-0000-000C00A427F用于暖白光（2700K），额定电流为368流明，正向电压为9 V.

12 mm CXA1816用于替代70 W陶瓷金属卤化物聚光灯，以及较小的灯具和改型灯。该系列产品具有高达3000流明的亮度，色温为2700至5000K。 CXA1816-0000-000N00Q2250F是冷白色5000K器件的典型示例，具有2180流明的光输出和37V的正向电压。

ROHM Semiconductor还采用3D方法在LED内部组装LED灯泡外壳，以产生类似于标准灯泡发出的漫射光（见下图4）。该公司提供的模型可提供日光白光或暖光，以模仿白炽灯泡。用于日光白光应用的6 W R-B10N1具有390流明的光通量和100 VAC的正向电压。 6 W R-B10L1白炽灯版本的光输出为330流明。

图4：ROHM R-B10N1灯泡内3D LED模块的发光照明强度极坐标图。荧光灯已经过时

荧光灯管的替代市场可能比白炽灯泡更大，因为它们如此广泛用于工业和商业空间，以及住宅应用，如车库和车间。一旦消费者开始关注终身成本而不仅仅是单位成本，LED替代品的经济案例就具有可比性。同样，定价存在巨大差异。标准T8荧光灯管价格不到5美元。 LED替代产品的成本从35美元（主要是从中国进口的廉价进口产品）到价格超过100美元的部分产品，需要相当高的报酬。

有些公司报告节能，寿命更长，投资回收期不到2年并降低维护成本，特别是对于较大的24/7应用。很明显，低成本的GaN on Si LED有很大机会产生价格差异，并且可以更快地切换到节能LED版本。

LED灯的其他运营优势可能会对荧光灯管更换市场。 LED灯管立即开启和关闭，没有闪烁，没有嗡嗡声是关键的吸引力。其他因素，如颜色一致性和色温选择也很有吸引力。对于注重生态的消费者而言，选择不含有危险废物（铅，汞或气体）的灯具很重要。

许多制造商已经开发出可以简单地安装到流行的T8/T12中的替换管固定装置，而其他人则为需要新的或升级的照明解决方案的客户开发了新的固定装置。包括Cree和Osram在内的公司不仅生产改造管，而且还生产用于其他OEM的LED，以生产适合当地市场的设备。

图5：LEDdynamics EverLED TR插入式荧光灯替代品几年前，LEDdynamics公司推出了EverLED-TR和EverLED-VE系列的首批LED插入式荧光灯管替代产品。声称可与几乎所有标准荧光灯镇流器（包括紧急备用镇流器）兼容，可轻松更换现有灯管。 TR系列48英寸T8灯管额定功率为20 W，可提供3000K（ET8S48830），4000K（ET8S48840）和5000K（ET8S48750）色温，典型光输出为1600至2000流明，光效最高到100 lm/W.对于3000和4000K单位，CRI报价为85，对于5000K，报价为75。美国生产的TR系列产品每个售价约113美元，并保证运行10年低成本版本，每个约69美元，据称可提供相同的质量和坚固的结构，预计将持续10年，但保证5年。 ET8V48830，ET8V48840和ET8V48750是等效的暖色，中性和冷白色版本。

ROHM提供多种LED日光灯替换灯，型号范围从20 W到110 W，以及防水版本，适合广泛的应用程序。 40 W R-FAC40BN1取代标准的48英寸管，提供5000K的CCT，以提供冷白光。发光通量报价为1980 lm，输入电压为100至242 VAC。功耗仅为11 W，较低成本的R-FAC20BN1具有相似的功能，但光通量较低，为890流明。这些灯管的使用寿命为40，000小时，相当于每天12小时超过9年。