當今高亮度LED的主導技術是藍寶石或碳化硅（SiC）基板上的氮化鎵（GaN）。這些材料很受歡迎，因為合成的LED明亮，高效，并且使用壽命長。然而，這些芯片很難制造并封裝成可用的器件，從而使用它們作為光引擎的最終產品的成本倍增。雖然近年來價格大幅下跌，但LED照明的購買成本仍然遠高于傳統替代品。這一初始費用被認為是減緩固態照明（SSL）接受度的一個主要因素。

一批先鋒制造商一直在努力通過更換藍寶石來降低大功率LED的成本，具有硅（Si）的SiC襯底，該材料通常用于制造大多數電子芯片（“IC”）。主要優勢在于極低成本的晶圓供應以及使用折舊的8英寸晶圓廠進行LED制造的機會。這些概念相結合，可以大幅降低LED價格，克服消費者的反對意見。

最初，技術挑戰限制了GaN-on-Si LED的性能，使其對主流照明沒有吸引力。現在，一些制造商，特別是東芝，推出了新一代的這些LED，并以極具競爭力的價格大幅提升了性能，使其成為許多應用中傳統設備的可行替代品。

本文回顧了開發硅基板LED，描述了最新一代的商用設備。

降低LED的成本

雖然需要花費數年時間和數百萬美元的R＆amp; D資金，現代化當考慮初始購買價格，能耗和壽命等因素來確定“擁有成本”時，LED是用于主流照明的傳統光源（如白熾燈泡，熒光燈管和鹵素燈）的經濟型替代品。

分析師麥肯錫公司最近的一份報告 1 公司得出結論，到2016年（取決于LED的價格持續下降的速度），與緊湊型熒光燈（CFL）相比，LED燈具的投資回報（由于運行成本更低，壽命更長）將抵消最初的更高購買價格在1.7到3。9年之間。 2011年的相應計算得出了大約14年的數字。 （圖1）

圖1：住宅區LED燈泡與CFL燈泡的投資回收期（暗線代表基本情況，較輕線代表更快的LED價格侵蝕）。 （由McKinsey＆amp; Company提供）

不幸的是，同一份報告的結論是，盡管2015年照明應用中LED的市場份額攀升至45％左右，“LED照明產品的價格溢價仍然存在在考慮對普通照明應用進行初期投資時，最初的購買價格對決策者來說是一個重大障礙。“

考慮到像飛利浦這樣的LED燈更換時，這種沉默也許并不令人驚訝。 W（白熾燈）等效PAR38 LED燈泡的零售價為22美元，相比同一公司的100 W等效T2 Twister CFL為12美元，相當于100 W等效EcoSmart鹵素燈泡為6美元。

LED成本的關鍵因素燈泡是LED芯片本身。每個LED燈泡通常包括六個，八個或十個LED芯片的陣列，每個LED芯片在復雜的晶片制造工藝中由特殊材料制成，然后以三步或四步組裝操作昂貴地封裝。用更便宜的替代品取代材料和制造成本將大大降低LED的初始購買價格，從而促進更快速的采用。

硅替代方案

電子革命建立在硅片上;一種穩定，廉價，豐富的半導體，易于生長成晶體，切割成晶圓，并采用CMOS工藝將每個晶圓轉變為數千個IC。此外，在晶圓廠大量投資以大規模生產此類芯片，將單位成本降低至僅為美分。

最近，芯片制造商已采用更高效的晶圓制造工藝，采用12英寸（300毫米）晶圓作為原材料，取代了舊的8英寸（200毫米）晶圓。因此，全球有超過8英寸的容量，一些人認為可以轉向LED制造，大大降低了最終產品的價格。

大多數現代LED都是由GaN的組合，其特征在于在藍寶石襯底上具有適合于在光譜的可見部分發射光子的帶隙。 GaN薄膜通過稱為外延的工藝生長，其通過在襯底上沉積連續層來建立LED的有源區。一個缺點是GaN和藍寶石襯底之間的晶格間距（晶體結構中的各個原子之間的單位距離）之間的不匹配，這導致有源區域中的微觀缺陷。這些缺陷，也稱為穿透位錯，都會影響LED的發光度和壽命。

SiC具有與藍寶石更緊密匹配的晶體結構，降低了缺陷密度，提高了效率和壽命。至少一個，有時兩個數量級。 （參見TechZone文章“材料和制造改進提高LED效率。”）

藍寶石和SiC不僅生產成本高，而且難以在大于4英寸（100毫米）的晶圓上可靠地制造直徑。除了更便宜和更容易使用外，8英寸硅晶片的加工時間僅比4英寸的晶圓要長一些。最終結果是工廠的生產量可以翻兩番（8英寸晶圓的表面積是4英寸晶圓的4倍（圖2），同時削減了材料和加工成本。

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圖2：2英寸，4英寸，6英寸和8英寸晶圓的比較。

然而，切換到硅作為基板對于LED來說，存在著巨大的技術挑戰，其中最主要的是硅的晶體結構與GaN的偏差甚至比藍寶石更糟糕。更糟糕的是，硅與GaN的熱膨脹系數差別很大。這兩個因素導致嚴重在制造過程中，拉伸應力被加入到晶圓中，隨著晶圓冷卻，導致微裂紋。如果有的話，裂紋LED的功能很差。更糟糕的是，硅是一種非常好的光子吸收體，它應該逃逸并有助于LED的發光度因此，早期GaN-on-Si LED的光提取率為其四分之一到三分之一來自藍寶石上的同類器件（參見TechZone文章“硅襯底將LED照明推向主流嗎？”）

一些先鋒公司堅持他們的開發計劃，而GaN-on-Si LED仍然落后于藍寶石上GaN或on-SiC LED的發光度，功效和長壽命，今天的實驗臺上的器件不會受到早期器件性能不佳的影響，而且成本只是其成本的一小部分。常規LED。

第二代硅

隨著傳統LED的穩步改進（同時減少了匹配單個白熾燈或熒光燈泡輸出所需的LED數量）新的市場為“中檔”LED開辟了新的市場。中檔芯片無法與當今高端設備的性能相媲美，而是以預算價格提供合理的性能（例如，提供相當于兩三年前頂級規格芯片的亮度和壽命）（參見TechZone文章） “中功率LED為照明應用提供了更便宜的替代方案”。）

中檔市場的增長為GaN-on-Si芯片開辟了機會。今天的硅基板LED的性能很容易與中等藍寶石上GaN或碳化硅上的相匹配，同時削弱了后者的價格。

東芝（最初與Bridgelux合資，但是后來買下了合作伙伴在該合資企業中的份額）是供應GaN-on-Si LED的商業領跑者之一。

東芝對于如何解決GaN和Si之間晶格和熱失配的技術難題并且幾乎沒有公開聲明是可以理解的，但在被收購之前，Bridgelux確實揭示了“拉伸”使用專有緩沖層（在GaN和硅之間）解決了應變問題。“

有關東芝研究的更多信息可在科學論文中找到。 2006年2月發表的一個例子 2 描述了東芝研究人員如何通過使用“立方SiC”作為中間層來抑制通常困擾硅上GaN外延的裂紋產生。立方SiC的晶格常數約為GaN和硅之間的一半，有助于減輕原本會產生的應力，并導致GaN和硅的鄰接層之間產生裂縫。

研究人員報告稱，1μm層在傳統的8英寸硅晶片上面的SiC足以抑制有源GaN層中的裂縫。雖然比在“裸”硅上沉積GaN稍貴，但該工藝仍然比制造藍寶石或SiC晶圓便宜得多，因為它仍然建立在廉價的硅制造工藝之上。

東芝也聲稱其GaN -on-Si工藝有助于直接從晶圓生產大型“體積發射”單LED芯片，而無需經過傳統的LED組裝工藝（圖3）。這種技術的優點是可以節省更多成本，單個LED可以與日益流行的板上芯片（CoB）陣列競爭 - 這些產品包含預先組裝成一個單元的多個傳統LED（參見TechZone文章“The Rise of板上芯片LED模塊“）。

圖3：東芝的GaN-on-Si工藝使封裝的體積發射器LED能夠直接切割來自晶圓，無需經過傳統的包裝工藝 3 。 （由Toshiba提供）

可用產品

東芝于2012年底首次推出一系列GaN-on-Si產品.TL1F1 1 W LED交付112 lm（功效112 lm）/W，電壓為2.9 V，電流為350 mA），用于冷白（5000 K）設備。

十個月后，該公司宣布修訂范圍（TL1L3系列） - 最新的商業產品，可提供135 lm（135 lm/W，2.85 V，350 mA）。然后，在2015年初，該公司發布了TL1L4系列的樣品量，它聲稱其性能比上一代GaN-on-Si器件高出60％。頂級產品是1 W，冷白色（5000 K，顯色指數（CRI）70）產品，可提供160 lm（160 lm/W，2.8 V，350 mA）。其他型號可在2700至6500 K的溫度范圍內使用。芯片采用3.5 x 3.5 mm封裝（圖4）。

圖4：Si LED上的TL1L4系列GaN承諾從3.5 x 3.5 mm封裝的160 lm。

TL1L4系列的性能與批量生產的高端傳統產品相當，例如Cree的XLamp XM-L2（155 lm/W，2.85 V，700 mA）和OSRAM的OSLON Square（163 lm）/W，3.05 V，700 mA）。東芝的產品實際上提供比具有價格競爭力的中檔設備更好的性能，如Cree的Xlamp MX-3S（85 lm/W，10.7 V，115 mA）和Philips Lumileds的Luxeon 3535L（121 lm/W，3.05 V，100 mA）只有當芯片的結溫保持在150°C以下時，TL1L4產品才能以1 A或甚至1.5 A的正向電流工作，從而獲得更高的發光度（以降低功效為代價）。

東芝解釋說，TL1L4系列的性能水平使其適用于主流照明應用，如家用筒燈，路燈和泛光燈。

補充技術

目前，照明消耗的能源約占全球能源的19％。據估計，大規模采用LED將使其減少四分之三，因為它們具有更高的效率。雖然價格自然會繼續下降，但像東芝那樣高性能但成本相對較低的GaN-on-Si LED的供應有望加速這一過程，并使照明工程師能夠提供SSL解決方案，以克服消費者對高初始值的反對意見購買價格。

這種替代技術不可能超越當代高端設備;但它確實提供了現有技術的補充 - 專利問題 - 可以被其他公司接收，產生競爭，推動價格更低，并增加SSL在照明市場的份額。