之所以能利用GaN on GaN技术大幅提高亮度,是因为GaN基板与GaN晶体的晶格常数基本一致,GaN晶体中的线缺陷非常少。这种情况下,即使提高电流密度,发光效率的降幅也很小。
开发GaN基板的日本碍子已开始生产线缺陷密度为106个/cm2的4英寸(100mm)晶圆。这一密度还不到在蓝宝石基板上采用GaN时的1/100。据日本碍子研究开发本部晶圆项目部长吉野隆史介绍,“在实验室已经实现105个/cm2。预计在不久的将来可实现104个/cm2”注3)。
注3)不过,并不是说线缺陷密度越低,就越能维持发光效率。“即使线缺陷减少,还有点缺陷,因此将线缺陷密度降到1×107个/cm2以下并没有多大意义”(名古屋大学的天野)。
2mm见方芯片实现大光通量
采用GaN on GaN技术量产LED的少数厂商之一——美国Soraa公司*公布了10A/mm2这一数据,也就是说,即使以普通LED几十倍的电流密度驱动,外部量子效率也在约55%以上。
*Soraa=采用GaN on GaN技术从事LED芯片、LED封装和LED照明器具业务的厂商。由美国加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)的三名教授于2008年创建。这三名创始人中有一人是原来在日亚化学工业工作的中村修二。
这相当于能在约2mm见方的LED芯片上实现西铁城电子利用发光部直径为38.2mm的大型COB实现的2万3549lm的光通量注4)。此时的发光效率推测高达160lm/W以上。不过,如何散热是个问题。
注4)这是根据外部量子效率推测的、实现白色发光时的发光效率。因为Soraa的LED为紫色LED,无法直接定义有效发光效率。
日本碍子也与名古屋大学共同试制了采用该公司GaN晶圆的蓝色LED,电流密度约为2A/mm2时,内部量子效率高达约90%。绿色LED也高达60%。
该用途存在的课题也是实现超高亮度时的散热问题。由于发光面积较小,热量会集中在这个面积上。
强调光线“比白色还白”
最近,GaN on GaN技术受到关注的不是单纯的高亮度,而是白色LED要求的(4)的要素,即在高亮度下显色指数也很高、容易制作眩光少的LED。
这是因为,GaN on GaN技术适合制作用于实现高显色指数白色的紫色LED。利用GaN on GaN技术比利用蓝宝石基板更容易制作减少了GaN晶体中In用量的紫色LED。Soraa公司的LED也是紫色LED。
紫色LED的发光中心波长约为410nm,光的能量比蓝色光稍高。与荧光灯使用的荧光材料组合,可制作显色指数与荧光灯一样高的照明器具。例如,Soraa公司的高顶天花板用高亮度LED灯的显色指数(CRI)为95,相对于深红色的显色指数指标R9也是95,都非常高。关于白色,Soraa公司CTO Mike Krames强调称,“与以往的白色LED相比,白色更白了”。
受现有LED降价影响
GaN on GaN技术在(3)和(4)两种用途存在的共同课题是成本竞争力低。与GaN on Si技术的高成本竞争力正好相反。因为GaN基板价格非常高,目前无望大幅降价。不过,GaN基板的价格与科锐公司采用的SiC基板没差太多。最大的问题在于,在即将实用化之际,与其竞争的现有白色LED迅速降价。
研发GaN on GaN技术的日本厂商很多。例如松下、三菱化学、住友电气工业等。但实现量产的例子很少。还有的厂商对GaN on GaN技术表示怀疑,“新技术需要具备现有LED所没有的高附加值,但GaN on GaN技术能提供这种附加值吗”(日本碍子)。