大多數現代LED由氮化銦鎵（InGaN）和藍寶石襯底組成。該架構運行良好，并使LED制造商能夠提供效率超過150流明/瓦的產品。然而，該架構確實存在一些缺點，這些缺點促使芯片制造商尋求其他選擇。

一種商業上成功的替代方案是碳化硅（SiC），基于該基板的LED已經上市兩年。現在已經發布了新一代技術，有望將目前最亮的單個LED的發光度提高一倍，并將照明燈具的成本降低40％。

本文著眼于SiC技術并描述了基于材料的最新芯片。了解它們與上一代和現代藍寶石襯底LED的比較。

制造挑戰

InGaN是制造當今高亮度白光LED的首選材料。小心地操縱半導體的帶隙，使得LED管芯發射藍色光子，其中大部分被LED的磷光體涂層吸收并在光譜的黃色部分中重新發射。藍光和黃光的混合產生了很好的近似白光。不幸的是，不像大多數集成電路所使用的硅 - 可以廉價生產導致低成本元件 - InGaN難以大規模生產錠。 LED制造商通過使用諸如金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）的外延技術克服了這一困難。該工藝克服了生長塊狀InGaN的需要，而是通過在合適的襯底上沉積連續的薄膜來構建材料。

最常見的襯底材料是藍寶石（Al2O3）。該礦物質便宜，耐用，并且具有良好的絕緣體。圖1顯示了藍寶石襯底LED的橫截面。

圖1：藍寶石襯底LED。

藍寶石的最大缺點是它之間存在很大的不匹配晶格結構和InGaN晶格結構。這種不匹配在制造期間將微裂紋（稱為“穿透位錯”）引入LED結構中，這損害了LED功效，因為在這些位置處發生的電子和空穴之間的重組主要是“非輻射的”。換句話說，沒有發射可見光子。更糟糕的是，微裂紋隨著溫度和老化而增加，縮短了器件的壽命（參見TechZone文章“材料和制造改進提高LED效率”）。這并不是說藍寶石襯底的LED性能很差。幾家主要制造商提供基于該材料的成熟產品。例如，Philips Lumileds的LUXEON T白光LED產生249流明（2.8 V，700 mA），功效為127 lm/W（圖2）。此外，歐司朗的OSLON SSL 150白色能夠產生136流明（3.1 V，350 mA），效率為125流明/瓦。

圖2：飛利浦Lumileds LUXEON T是高性能藍寶石襯底LED。

極高功率LED

SiC被引入作為LED制造的替代品，因為與InGaN的晶格失配遠小于藍寶石。微裂紋仍然可能發生，但缺陷密度顯著降低，提高了效率并延長了LED壽命。主要缺點是相對較高的材料和制造成本以及需要許可費用的專利工藝。

Cree - 也許并不奇怪，因為它擁有許多工藝專利 - 已經支持使用SiC襯底進行LED制造。其首款商用SiC器件XLamp XB-D系列于2012年初發布。這些芯片采用了該公司的“SC 3 ”技術。 XLamp XB-D是97 lm/W器件（350 mA），如果電流達到1 A，可以產生高達213 lm的電流。

該公司最近宣布其下一代SiC LED是現在可以提供樣品。這一次，“極高功率（XHP）”設備采用標有“SC5”的技術。該公司聲稱，與中功率LED相比，新設備將使照明設計人員能夠節省高達40％的系統成本（用于相同的光輸出）［參見TechZone文章“中功率LED為照明應用提供更便宜的替代品”］。這些節省主要是因為相同光輸出需要更少的更亮的LED。

Cree尚未發布XHP設備的完整規格，但解釋說單個設備可以產生1800流明的效率112 lm/W和總耗散量為16.1 W.所有LED隨著時間的推移逐漸消失（一旦設備的輸出低于70％（L70），當新的產品被認為失敗時［參見TechZone文章“確定LED額定壽命：A棘手的挑戰“］）和XHP產品也不例外。然而，該公司表示，即使在35，000小時后，LED仍將提供至少90％的原始光度。圖3顯示了一個XHP封裝。

圖3：Cree XHP產生兩倍于現代高功率LED的輸出。

使用該公司的中檔XLamp MX生產1800流明-3S LED--一個104 lm（10.7 V，115 mA）器件，功效為85 lm/W--需要18個器件陣列，總功耗為22.1 W.該公司稱單個XHP LED將會甚至可以生產出目前高功率產品的雙倍流明，例如XM-L2。根據數據表，XM-L2在2.85 V，700 mA時輸出270 lm。

照明燈具中的LED數量越多，需要更大，更復雜的PCB，組裝成本越高，散熱器越多，等等精密光學 - 加入更昂貴的最終產品。 （參見TechZone文章“LED封裝和功效進步提高流明密度”。）

Cree解釋說，使用XHP LED減少芯片數量所節省的40％來自簡化最終產品設計和裝配過程。這沒有考慮到陣列中多個LED配色的額外時間和費用，以確保輸出的均勻性（盡管制造商可以提供克服這一挑戰的LED陣列）。

未來的進一步發展

藍寶石基板LED已經成為固態照明行業的支柱。基于該技術，市場上有許多高性能芯片。然而，在如此競爭激烈的行業中，制造商一直在尋找優勢，據說基于SiC技術的新一代器件可提供比傳統器件更高的發光度 - 允許工程師在同一輸出中使用更少的LED，簡化和在降低成本的同時縮小照明燈具。然而，LED技術還遠未成熟，而藍寶石和SiC是目前的領導者，其他材料 - 包括氮化鎵（GaN）本身;甚至低硅 - 正在開發中（請參閱TechZone文章“硅襯底將LED照明推向主流嗎？”）。一些制造商甚至正在嘗試完全省去基板的LED。