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高亮度LED芯片的市場格局及未來發展趨勢
發布時間:2014-01-06
    LED市場正處于高速發展的階段,LED芯片成本的進一步下降將促進半導體照明走入全家萬戶。由于硅襯底具有成本低、IC廠制造工藝成熟等特點,隨著6-12寸大尺寸硅基LED技術的不斷發展,硅基LED技術將在降低成本和提高生產效率方面具有巨大的優勢,這對于LED產業會產生重大影響。 
    當前,半導體照明市場的進一步發展要求藍光LED芯片的光效要不斷提升,成本要不斷下降。目前科銳基于碳化硅的LED芯片已經實現了200lm/w光效產品的量產,研發水平光效可以達到276lm/w。在LED芯片成本下降和光效提升的這一競賽中,目前正遇到以下幾個發展瓶頸。
    第一是藍光芯片存在的Droop效應。在大電流密度條件下,發光二極管的外量子效率會下降,有試驗表明Droop效應是由包括俄歇效應在內的多種原因引起,這個效應限制了藍光芯片在大電流密度下的使用,從而阻礙了流明成本的下降。
    第二是綠色能隙(Greengap)和紅色能隙(Redgap)。當波長從藍光進入到綠光波段時,LED的量子效率會下降,如530nm的綠光量子效率下降很快;對于紅光而言,在深紅色光譜中內部量子效率可以達到100%,但對理想白光光源中的橘紅色發光波長(如614nm)而言,其效率迅速下降。這些效應限制了綠光和紅光芯片的光效提升,延緩了未來的高質量白光的產生。另外,綠光及黃光LED效率也受到本身極化場的沖擊,而這個效應會隨著更高的銦原子濃度而變得更強。
    第三是外延的異質生長問題。由于外延生長時晶體中存在缺陷,形成大的位錯密度和缺陷,從而導致光效下降和壽命下降。目前藍光芯片無論是碳化硅、藍寶石、硅襯底技術都是異質外延,在襯底和外延晶體之間存在晶格失配導致位錯,同時由于熱膨脹系數的差別在外延生長后的降溫過程中產生熱應力,導致外延層出現缺陷、裂紋、晶片彎曲等。襯底的質量直接影響著外延層的晶體質量,從而影響光效和壽命。如果采用GaN同質襯底進行外延生長,利用非極性技術,可最大限度地減少活性層的缺陷,使得LED芯片的電流密度比傳統芯片高5-10倍,大幅提高發光效率。據報道首爾半導體采用同質襯底開發的nPola新產品,與目前的LED相比,在相同面積上的亮度高出了5倍,但GaN同質襯底對于LED而言仍過于昂貴。
    總體而言,在藍光LED芯片的未來發展上,倒裝芯片、高壓芯片、硅基芯片等都是未來的主要發展趨勢。倒裝芯片由于散熱好可以增大注入電流,不用打線可以提升產品在應用過程中的可靠性;高壓LED芯片由于可以更加匹配供電電壓能夠提高電源轉換效率,再加上定制的IC電源,最適合于LED球泡燈;硅基LED芯片由于可以在6寸或者8寸的硅襯底上進行外延生長,可以大幅度降低LED的成本,從而加速半導體照明應用時代的來臨。對于其它顏色而言,紅光LED芯片和綠光LED芯片的光效都還有很大的提升空間,隨著紅光和綠光LED芯片光效進一步的提升,未來白光不一定就是目前的藍光LED芯片加黃色熒光粉的形式,也可能是RGB或其它的形式,未來白光的封裝方式也可能會發生很大的變化。
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