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高端访谈
塞伦光新技术大幅提升LED亮度并降低成本
阅读次数:3028          录入时间:2012/11/9 10:08:23

LED照明因其长寿命和节能环保等特性, 被视为第三次照明革命。技术的推陈出新,缩短了LED技术在照明等领域的推广进程。现在以及未来,LED业界都在努力提升技艺,让LED变得更为普及。

近来,《LEDs科技》杂志记者接触一家新公司——英国塞伦光电有限公司。该公司最初作为英国谢菲尔德大学的衍生公司成立于2009年末,公司隶属于英国伦敦上市公司FushionIP集团旗下。塞伦光电在高亮LED方面主要有两大技术,以不同的纳米技术方法大幅提高氮化镓材料的发光效率。塞伦光电工艺结合纳米技术和材料物理的基础研究将电光转化效率大幅提高,对光输出的提高在80%到 120%之间。为更深入了解该公司,记者采访了塞伦光电有限公司CEO Carl Griffiths博士,以及副总裁张彤博士。

塞伦光电有限公司CEO Carl Griffiths博士

塞伦光电有限公司CEO Carl Griffiths博士

纳米蚀刻技术提高发光效率

《LEDs科技》:贵公司的纳米蚀刻技术有何特点和优势?与目前的其他蚀刻技术有何不同?能为LED客户带来什么益处?

塞:到目前为止,绝大多数LED外延片厂商都是基于C平面氮化镓上生长的氮化物LED结构。但是C平面有一个固有的缺点:氮化镓是一种压电材料,因此在C平面方向任何机械应力都将导致很大的内部电场。 C平面氮化镓与蓝宝石衬底有超过16%的晶格失配。因晶格失配引起的机械应力导致氮化物中可观的内部电场。该电场改变了氮化物材料中的电子能带结构,并使得辐射去激发效率明显降低。这直接导致影响LED材料发光效率的内量子效率显著降低。

大家知道,应力弛豫能够降低存在于该结构的固有内部电场。塞伦公司就是通过独到的纳米刻蚀技术形成纳米柱而实现LED结构中大规模的应力弛豫,从而大幅降低固有的内部电场。其实用纳米柱的方法实现应力弛豫本身并不是什么新点子。如果纳米柱的直径足够小比如几百纳米的尺寸,就可以不同程度上地实现应力弛豫,从而减少由于氮化镓和蓝宝石衬底晶格失配引起的材料缺陷。经过应力弛豫,固有的内部电场降低,因而增加了内量子效率。在我们取得突破之前使用该法获得应力弛豫的进展并不理想,我们的专利技术是设计了一个巧妙而又简单的操作流程——它不要求结构性的或者周期性的纳米柱阵列,也不同于光子晶体技术,但是在对现有LED生产技术不增加成本和工序的前提下对纳米柱的外观和尺寸进行了精细加工,实现了近85%的应力弛豫从而大幅提高了材料的发光效率。

塞伦光电有限公司副总裁张彤博士。

塞伦光电有限公司副总裁张彤博士

《LEDs科技》:您认为纳米蚀刻技术提升光能转化的最佳效率是多少?在商用推广上目前还需做哪些努力?

塞:从技术本身,对大规模生产的适应性和重复性等方面来说,这项技术在过去的3年里已经做过严格的测试。由于塞伦光电自发展初始就将未来的工作重心放在亚洲,尤其是“大中华”地区(即除韩国和日本外的东亚和东南亚国家和地区),所以我们测试所使用的加工/对比样品都选自中国大陆和台湾的多家著名LED 芯片厂商。我们在试生产线上的测试结果表明它对亮度有大幅提升。该技术对于亮度的提升至少达到80%-120%。换句话说,使用该技术大规模生产的LED可以达到约150—200流明/瓦的发光效率,即亮度水平已经达标十二五规划。另外,我们的纳米刻蚀技术还可以有效地改善光衰(Droop)效应,即光电效率随能量密度(或电流)增强(从105瓦/厘米2到106瓦/厘米2),而衰减的程度较之未经我们技术加工的样品减缓了约30%。这一特性的提升对芯片的大功率应用、散热和使用寿命都有十分重要的意义。

从今年2月份开始我们的工作现在已进入第二阶段也是最重要的阶段,即将上述的专利技术商业化和产业化。目前我们的推广工作按地域划分主要是三大块,即亚洲,北美和欧洲,他们分别以中国、美国加州和德国为展开工作的起始点。如果细分一下,无论从资源成本市场规模还是发展潜力来讲,亚洲,或者说中国都是我们的重中之重。但是万事开头难,目前最重要的工作是和国内的合作伙伴建立相互信任,这包括对技术,对人员,对合作方式和对未来的信任。我们相信只要以技术数据为基础,以互信互惠为依托,我们一定能跟随中国LED产业与市场不断壮大,将高效节能,经济实用的新型LED产品在不远的将来推广到千家万户。

非/半极性技术拓宽蓝宝石衬底潜能

《LEDs科技》:蓝宝石衬底是目前生长LED外延片最为广泛和比较成熟的技术,有着众多优点,但同时晶格和热应力失配等问题也阻碍了蓝宝石衬底技术的提升。贵公司的第二项特有技术有何特点和优势?能为LED客户带来什么益处?

塞:确实如您所说,16%的晶格失配和固有内部电场及其带来的一系列物理问题严重影响到基于蓝宝石衬底氮化物LED材料充分发挥其电光转化的潜能。改进方法之一就是我刚才提到的纳米刻蚀技术。它的优点是操作简单易行,不对现有LED生产工序和成本改动。但是它在对发光效率的提升局限在1倍左右。

针对如何降低甚至消除固有内部电场,我们又开发出第二项技术,即采用非极性(R平面)或半极性(A或M平面)代替C平面氮化镓以消除固有内部电场带来的负面影响,大幅降低材料的缺陷密度。另外,如果采用非极性LED材料给显示屏、电视、手机等作背光源还可以避免LED光源具有取向性的问题,因此加置外扩散片的工序将不再需要,从而对于相关终端应用节省了生产时间和成本,此技术将给相关市场带来深远的影响。第三,非极性/半极性氮化物还可以用于绿光LED,激光器,和基于氮化镓的太阳能板。

因其在现有巨大的背光源市场可观的潜能和前景,如首尔半导体,日亚等LED公司和研究单位一直在尝试如何有效的生长非极性/半极性LED外延片。但是谁都没能给出令人满意的解决方案,或者说在成本允许范围内给不出方案。最成功的要算是首尔半导体集“20多年核心技术的精华”,和加州大学Santa Barbara分校的“蓝光之父”——中村修二教授联合开发出的于“nPola”。该产品于今年7月份推出,它相较于目前的LED,在相同面积上的亮度高出5倍,其卓越的品质令人为之一振。但是,同时我们也需要注意到一个问题——这个LED结构是基于氮化镓衬底的。也就是说,它实际上是氮化镓块材结构,而这对于成本和亮度并重的LED市场是好看但不好用的。

与首尔半导体的工作不同,塞伦光电的技术是应用于在片材上的,即我们的非极性和半极性的LED结构是基于蓝宝石等更为经济的衬底上。在只增加一道工序的前提下,我们不仅大幅降低了材料的缺陷密度(至少一个数量级),使外延片的电光转化效率比目前的LED材料提升7倍,而且与目前LED材料的另一个不同点,即我们的非极性/半极性LED 结构所发光不随能量变化发生颜色变化。

《LEDs科技》:LED衬底材料目前由蓝宝石、硅和碳化硅三种,从事这三种技术的公司都在不断地提升技术水平。您认为贵公司的第二项技术能否使蓝宝石衬底在LED衬底应用上更具优势?

塞:是的。现在LED衬底主流材料仍然是蓝宝石衬底和碳化硅衬底。纯从物理参数来讲碳化硅拥有与氮化镓仅3.4%的晶格失配以及很好的导热性,这不仅使基于碳化硅的LED材料能够获得较高的发光效率,而且节约能源2/3,工作寿命得到提高,下游的固定资产投入也降低了。但是针对那些无法自己生产碳化硅衬底的厂家来说,它的价格高出蓝宝石衬底太多。这显然不符合LED行业一片降价的呼声。按照Haitz定律,每10年我们应该期待单位流明的生产成本下降10倍。如果制备技术和科锐在碳化硅衬底的垄断性没有改观,相信碳化硅的弱势很难改观。

我们现在再看一下蓝宝石衬底的市场,其价格自从去年开始就在下调。这一方面是和它背后成熟的制备技术相关,但是更重要的是因为这两年蓝宝石的投资力度非常大,产能释放后自然价格就下来了。而塞伦光电借此时机推出上述的两项技术,一个在保持低成本的前提下将以蓝宝石为衬底的蓝光LED发光效率翻一番,另一个在成本略有提升的情况下获得更高的亮度。这样便在很大程度上弥补了蓝宝石衬底LED材料在发光性能上较之碳化硅衬底的不足。

除以上两种衬底外,这两年业内对硅衬底的研究也是越来越热。在硅衬底上制备LED是大家梦寐以求的一件事情,因为一旦有相应的优势技术,外延片生长成本和器件加工成本将大幅度下降。硅作为氮化镓材料的衬底有许多优点,如晶体品质高,尺寸大,成本低,易加工,良好的导电性、导热性和热稳定性等。然而,由于氮化镓外延层与硅衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配,以及在氮化镓的生长过程中容易形成非晶氮化硅,所以在硅衬底上很难得到优质的氮化镓材料。即便如此,以德国的欧司朗和英国的普莱思集团等为代表的众多LED厂商仍在花大力气进行研发。而我们的非极性/半极性氮化镓技术在这里也能派上用场因为这项技术与所使用衬底无关。

《LEDs科技》:市场上是否有与贵公司技术类似公司?贵公司如何保护自己的技术?市场竞争策略如何?

塞:如前所述,纳米刻蚀技术是不少公司的研发部门和大学等研究机构的课题。但是据我了解还没有任何地方能够如我们的技术一样对发光效率提升一倍。而非极性/半极性的工作更是世界上独一无二的。我们在欧洲,美洲和中国等地都已成功申请多项专利。随着中国对高技术的渴求和对知识产权的保障日益完善,相信我们和象我们这样的技术含量很高的企业能够得到更好的法律保护。另外,我们也在积极着手和有诚意合作、合资和技术共享的国内企业签约合作备忘录,以求共同保护技术优势,并以此为基点共同谋求发展。相信这是一条实现塞伦光电,国内企业和中国的光电事业共同发展三赢的道路。

将在中国大力推广新技术

《LEDs科技》:目前,价格是LED照明应用大规模推广的痛点,如何降低LED材料成本,提升生产速度是行业最为关心的话题。贵公司的技术将如何帮助客户解决这些难题?

塞:首先生产成本的降低是由市场整体和行业水平决定的。但是塞伦光电的两项技术能够通过大幅提高亮度而有效改进 $/流明值。这样在获得一定亮度需求的情况下,使用我们的技术的生产商就有可能使用比别人少得多的LED材料。另外,对于第二项技术,生产商所得到的回报则更加丰厚。首先是更亮的LED,其次是为终端用户节省下来的时间和成本。换句话说,它带来的更强的竞争优势。

《LEDs科技》:据了解,贵公司已与行业客户达成了专利技术合作协议。能否介绍一下目前贵公司专利技术的商业化进程以及所采用的方式?

塞:塞伦光电在今年初的时候率先与一家印度的LED生产厂商签订了专利技术授权协议。根据该协议的条款,塞伦光电将纳米刻蚀技术在印度的独家使用权授予了这家合作伙伴。他们可以使用该技术生产LED外延片以服务于印度境内的部分照明应用。预计他们的第一批使用该技术的LED产品将于2013年推出。

《LEDs科技》:您如何看待中国LED未来的市场发展?

塞:受惠于中国产业政策的扶持(如2016年10月白炽灯的生产与销售,税收、仪器购进以及其他资源的诸多补贴政策等)和投资引领的产业驱动,中国LED产业与市场不断壮大,2011年中国已经成为全球最大的LED室内照明生产基地,且不远的将来,中国LED通用照明市场也有望成为全球最大的单一市场。然而,中国真正掌握的LED核心技术目前还很贫乏,国家制定的十二五LED发展规划要求: 照明灯具器件的发光效率要到150-200流明/瓦,这也是当前国际领先水平的参数,如美国的科锐和日本的日亚都已在生产线上分别达到达到约230流明/瓦和180流明/瓦的水平。而目前国内最好的LED产品也只能达到100-120流明/瓦左右,且还受制于国际专利与产权的诉讼纠葛。中国LED技术追赶国际领先水平任重道远。有鉴于此,赛伦光电愿意与中国方面有兴趣耕耘于LED行业的相关企业合作,共同探索这个伟大的行业与市场。

《LEDs科技》:中国人口众多市场广阔,未来将成为LED最大的应用市场,贵公司是否有计划进军中国?将会采用何种方式进入?

塞:我们正在积极筹措我们在国内的分公司,如果可能,成立一家英中合资的、面向全球市场的、生产与服务并举的企业是我们的愿景,希望在未来2到3个月内把诸多细节敲定。目前,我们正在和国内的多家企业和研究单位开始洽谈战略合作关系,将塞伦光电的优势技术与中国大规模生产能力和广阔的市场充分结合,一方面,期待在未来的半年到一年内能够量产出高品质LED芯片产品,另一方面,所建合资企业还将在中国拓展服务于技术转化和技术支持的研发工作。我们的远景计划是在2015年之前进入中国顶级LED上游产品供应商的行列,其核心竞争力是体现尖端技术与高新技术再更新能力的高品质产品与价格竞争力的结合。从长远看,通过进一步技术渗透,垂直整合与扩大产品范围,使企业在3-5年左右的时间内成为中大型,涵盖上、中游的高端LED企业。

获取更多信息请登录塞伦光电官网(www.serenphotonics.com)。


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