之所以能利用GaN on GaN技術大幅提高亮度,是因為GaN基板與GaN晶體的晶格常數基本一致,GaN晶體中的線缺陷非常少。這種情況下,即使提高電流密度,發光效率的降幅也很小。
開發GaN基板的日本礙子已開始生產線缺陷密度為106個/cm2的4英寸(100mm)晶圓。這一密度還不到在藍寶石基板上采用GaN時的1/100。據日本礙子研究開發本部晶圓項目部長吉野隆史介紹,“在實驗室已經實現105個/cm2。預計在不久的將來可實現104個/cm2”注3)。
注3)不過,并不是說線缺陷密度越低,就越能維持發光效率。“即使線缺陷減少,還有點缺陷,因此將線缺陷密度降到1×107個/cm2以下并沒有多大意義”(名古屋大學的天野)。
2mm見方芯片實現大光通量
采用GaN on GaN技術量產LED的少數廠商之一——美國Soraa公司*公布了10A/mm2這一數據,也就是說,即使以普通LED幾十倍的電流密度驅動,外部量子效率也在約55%以上。
*Soraa=采用GaN on GaN技術從事LED芯片、LED封裝和LED照明器具業務的廠商。由美國加州大學圣塔芭芭拉分校(UCSB)的三名教授于2008年創建。這三名創始人中有一人是原來在日亞化學工業工作的中村修二。
這相當于能在約2mm見方的LED芯片上實現西鐵城電子利用發光部直徑為38.2mm的大型COB實現的2萬3549lm的光通量注4)。此時的發光效率推測高達160lm/W以上。不過,如何散熱是個問題。
注4)這是根據外部量子效率推測的、實現白色發光時的發光效率。因為Soraa的LED為紫色LED,無法直接定義有效發光效率。
日本礙子也與名古屋大學共同試制了采用該公司GaN晶圓的藍色LED,電流密度約為2A/mm2時,內部量子效率高達約90%。綠色LED也高達60%。
該用途存在的課題也是實現超高亮度時的散熱問題。由于發光面積較小,熱量會集中在這個面積上。
強調光線“比白色還白”
最近,GaN on GaN技術受到關注的不是單純的高亮度,而是白色LED要求的(4)的要素,即在高亮度下顯色指數也很高、容易制作眩光少的LED。
這是因為,GaN on GaN技術適合制作用于實現高顯色指數白色的紫色LED。利用GaN on GaN技術比利用藍寶石基板更容易制作減少了GaN晶體中In用量的紫色LED。Soraa公司的LED也是紫色LED。
紫色LED的發光中心波長約為410nm,光的能量比藍色光稍高。與熒光燈使用的熒光材料組合,可制作顯色指數與熒光燈一樣高的照明器具。例如,Soraa公司的高頂天花板用高亮度LED燈的顯色指數(CRI)為95,相對于深紅色的顯色指數指標R9也是95,都非常高。關于白色,Soraa公司CTO Mike Krames強調稱,“與以往的白色LED相比,白色更白了”。
受現有LED降價影響
GaN on GaN技術在(3)和(4)兩種用途存在的共同課題是成本競爭力低。與GaN on Si技術的高成本競爭力正好相反。因為GaN基板價格非常高,目前無望大幅降價。不過,GaN基板的價格與科銳公司采用的SiC基板沒差太多。最大的問題在于,在即將實用化之際,與其競爭的現有白色LED迅速降價。
研發GaN on GaN技術的日本廠商很多。例如松下、三菱化學、住友電氣工業等。但實現量產的例子很少。還有的廠商對GaN on GaN技術表示懷疑,“新技術需要具備現有LED所沒有的高附加值,但GaN on GaN技術能提供這種附加值嗎”(日本礙子)。