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LED領域最新技術進展盤點

 GaN Micro LED年復合增長率將達43.5%


   氮化鎵(GaN)化合物半導體曾經被推廣到LED芯片當作襯底,盡管LED已屬成熟市場,但這些技術在功率電子和LED照明仍具備很大增長空間。


   當前LED燈的驅動電路是由用各種分立元件組裝而成,如功率晶體管、電容器和邏輯控制IC等,在印刷電路板(PCB)上組裝連接在一起,由于通常的PCB板體積較大,它會像LED燈一樣需要占據相當的空間;但未來,固態照明完美的解決方案是在單個芯片上將LED器件、功率晶體管和控制器IC進行單片集成。由于固態照明燈中的LED器件是基于GaN材料,所以其他全部器件也都必須采用寬禁帶的半導體材料來進行制造。


   采用這種方法將可以消除驅動電路板和LED芯片之間互連的寄生的電感、電容和電阻,從而使整個照明系統可以在更高的開關速度下運行,這樣可以提高整個照明系統的效率,并且可以縮小無源元件的尺寸,而小尺寸的電感器和電容器就能夠工作在更高的頻率下,形成一個尺寸更為精巧、性能更好的驅動器電路。


   這歸功于GaN器件技術方面的突破。


   采用GaN這種材料體系來制作LED驅動IC的技術也已經成熟。LED驅動IC可以用GaN材料進行制造,并表現出了優異的性能:與傳統的Si晶體管相比,它們具有更高的擊穿電壓,更低的導通電阻和更高的工作頻率。


   Power Integrations資深技術經理閻金光解釋道,為什么GaN技術可以在把尺寸做小同時,又能兼顧效率?相比于傳統硅更有優勢的是,GaN材料得以增大了輸出功率范圍和擊穿電壓范圍。


   他舉例,例如使用GaN技術安全隔離型LED驅動器,使用PowiGaN技術的大功率密度器件,可通過反激拓撲實現110 W輸出功率和94%轉換效率的設計,這也就是,為何PI近期宣布推出LYTSwitch-6系列安全隔離型LED驅動器IC最新成員LYT6079C、LYT6070C,他們和最新功率器件一樣采用GaN技術同樣能夠增加效率和功率。此外,和傳統LED驅動器方案相比,采用GaN技術后大幅簡化了電路。


   新的LYTSwitch-6 IC無需使用散熱片,減小了鎮流器的尺寸和重量,并降低對驅動器周邊風冷環境的要求,和采用PowiGaN初級開關的InnoSwitch3器件一樣,可通過低RDS(ON)降低開關損耗。“相較于常規方案,這一改進結合LYTSwitch-6現有的諸多特性,可使功率轉換效率提高3%,進而減少三分之一以上的熱能浪費,還可提供無損耗電流檢測來提高效率。”閻金光介紹到,“保留快速動態響應可為并聯LED燈串提供交叉調整率,并且無需額外的二次穩壓電路,同時還支持無閃爍系統工作。更加易于實現使用脈寬調制(PWM)接口的調光應用。”


   現代設備對視覺效果的要求越來越高,近眼顯示設備的亮度要求在增加,電池供電的消費電子設備對高分辨率和高亮度的需求也在增加,正在進一步推動GaN Micro LED增長。


   根據Future Market Insights一份新報告預測,2019年全球GaN Micro LED的銷售額將同比增長33%,達到197,000美元,高于2018年的150,000美元。報告顯示,在2019年-2029年間,GaN Micro LED將以高達43.5%的驚人年復合增長率增長。


   研究表明,2018年,中等功率的GaN Micro LED在所有GaN Micro LED中占據了75%的市場份額,并將成為未來幾年照明應用的主流。另一方面,為了在整個照明器件保持全亮度而且并不明顯損失顯示亮度,低功率的GaN Micro LED需求可能會進一步釋放。


   若從地區分布來看,2018年,北美貢獻了GaN Micro LED 26%的市場份額,并將繼續處于該市場的最前沿,歐洲地區緊隨美國之后,亞太市場也處于萌芽階段。


   交流供電的LED,可降低照明成本


   賓夕法尼亞州立大學的工程師已經研發了一種實用的方法,可以使用行業標準的制造工藝將氮化鎵LED及其電源電路集成到同一芯片上。其結果是一個照明芯片直接從壁掛式插座提供的交流電源供電,不需要在單獨的硅芯片和其他組件上進行將電轉換為低壓直流電的中間步驟。


   賓夕法尼亞州立大學的工程師們將詳細的工作流程發表在了IEEE Transaction上。


   據賓夕法尼亞州立大學工程系教授Jian Xu介紹,將LED驅動系統集成到氮化鎵芯片上可以降低LED照明的制造成本和維持照明的成本。他說,高達60%的LED燈泡成本來自駕駛電子設備。而且,由于這些硅驅動電子器件通常不如氮化鎵那么堅固,它們往往在發光二極管本身失效之前就失效了。


   LED燈中現有的驅動電路有三個主要功能:將交流電轉換為直流電(整流),消除由此產生的直流電中的波紋,并將電壓降低到更適合LED的水平。


   Xu的團隊構建的片上驅動系統只執行第一功能(整流),而不需要第三功能(降低電壓)。


   驅動器由四個肖特基勢壘二極管(SBD)組成,它們被布置成一個橋式整流電路。SBD是由金屬和半導體之間的結形成的二極管。它們在電力電子設備中很常見,因為它們的正向電壓降很低。氮化鎵是制造它們的一種特別好的材料,因為它具有很高的擊穿電壓,阻止電流反向流動。


   為了給LED提供合適的電壓,這些設備被構建成一個陣列,并以每臺整流器22到40像素的像素串級。這樣,總的電壓降是110-120伏從墻上插座,但每個LED像素只能看到幾伏。


   一個使用集成芯片原型的白色LED燈產生了相當可觀的89流明每瓦。然而,由于SBD電橋輸出的是一個經過整流的交流輸入,而不是一個大致恒定的電壓,因此LED具有120赫茲的閃爍,這將使其更適合室外照明應用,如停車場和道路的燈具,在這些應用中,低維護成本是至關重要的。但是光的質量不那么重要。


   集成一個LED燈的驅動電路似乎是一個顯而易見的想法,但直到最近它還是遙不可及。“氮化鎵是一種全新的材料體系,”Xu說。“這項技術最近才變得成熟,這就是為什么單芯片集成是一個非常新的想法。”之前的嘗試要求使用專門的LED結構或制造工藝,這些結構過于復雜,無法擴大規模或對LED效率造成太大損害。


   解決最后一個問題是Xu的實驗室取得成就的關鍵。在硅片制造中,可以用“濕”化學方法(如氫氟酸處理)將材料蝕刻成器件。但是氮化鎵太難工作,徐解釋說。因此,取而代之的是“干蝕刻”——感應耦合等離子體蝕刻。不幸的是,這一過程可能會在表面留下效率下降的缺陷。


   盡管濕蝕刻不足以去除大部分半導體表面,但在一定時間內,它可以幫助去除干蝕刻留下的缺陷層。他的團隊最終發現了一系列干法蝕刻和濕法蝕刻,它們產生了低缺陷、高質量的設備。Xu說,更好的是,這種“循環蝕刻”方法可以用來提高顯示器用微型LED的效率。(來源:IEEE電氣電子工程師學會)


   LED新型高效紅色熒光粉誕生


   人眼對綠色特別敏感,對藍色和紅色不敏感。因斯布魯克大學Hubert Huppertz領導的化學家開發出一種新的紅色熒光粉,其光線能被人們所感知。這使高顯色白色LED的光效增加了大約六分之一,顯著提高照明系統的能量效率。


   這種紅色熒光粉化學式為Sr [Li2Al2O2N2]:Eu2 +,由研究人員命名為SALON,滿足熒光粉光學性能的所有要求。這種熒光粉可追溯到拜羅伊特大學的休伯特·胡珀茨(Hubert Huppertz)所進行的研究,作為博士論文的一部分,他開發了摻雜螢光的氮化物。然后由慕尼黑的工作組進一步優化,現在已被廣泛使用。SALON熒光粉雖然在可見光范圍內發出紅光,但很大一部分能量會進入紅外范圍,人眼無法察覺。

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掃描電鏡與XRD分析


    “最初的實驗,我們只能在非常不均勻的樣品中得到少量非常小的可用顆粒,因此難以優化合成,”博士生Gregor Hoerder說。目前研究人員已經能夠分離出單晶,從而確定新材料的結構時,取得了重大突破。休伯特·胡珀茨說:“這種物質的合成方式使得它的發射峰向左移動,減少了紅外的發射,能量損失更少。”

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能譜分析


   歐司朗光電半導體是一家強大的工業合作伙伴,位于哈勒的弗勞恩霍夫材料與系統微結構研究所和慕尼黑路德維希馬克西米利安大學的Dirk Johrendt研究小組也參與了新材料的進一步表征。該開發已經注冊了專利。(信息來源:nature官網;編輯:LED新看點)


   采用UV LED消毒啤酒瓶蓋


   夏季是啤酒高消耗的時節,為了確保高質量啤酒的清潔水,釀造公司在其釀造設備的上游安裝紫外線(UV)系統,目的是保持飲用水不含細菌。使用紫外線是因為它非常有效地殺死細菌,病毒和細菌--遺傳物質(DNA)被紫外線破壞。波長為265納米的紫外光特別適合這項任務。到目前為止,這種紫外線燈是使用汞蒸汽燈,汞燈發出254納米的光。然而汞是一種破壞環境的重金屬。弗勞恩霍夫光電子研究所先進系統技術(AST)分部的研究人員,希望用紫外發光二極管(UV LED)取代傳統的含汞燈。


   “傳統的汞蒸汽燈發出254納米的光。由于這低于265納米的最佳波長,消毒性能并不理想,“Fraunhofer IOSB-AST的科學家Thomas Westerhoff說。這種傳統消毒燈還存在其他缺點:它們的預熱階段長,使用壽命短以及龐大的設計結構。“出于這些原因,我們更喜歡UV-LED,它們的最大波長為265納米。特別感興趣的是UV-C LED,因為它們的輻射更有效地破壞了病原體的DNA。紫外線在DNA的核酸中產生共振并破壞分子的鍵合。


   UV-LED不需要任何預熱階段直接可以達到全功率。此外,它們具有高機械穩定性,無毒,可在低電壓下運行。另一個優點是LED是聚光燈,憑借其特殊的輻射模式,設計師可以有多種創新。


   經過多次實際測試,研究人員現在能夠直接在水中操作UV-LED,而無需用管子來密封保護。這種創新設計消除了反射,進一步提高了輻射源的性能。工業合作伙伴PURION GmbH,Fraunhofer IOSB-AST的專家開發了一種特殊模塊,可以在瓶子裝滿啤酒之前在生產過程中對啤酒瓶蓋內部進行消毒。這確保了在生產過程中沒有細菌進入瓶子。“我們能夠以4瓦的紫外線功率照射帽子的內表面。在如此小的表面上用汞蒸汽燈這樣做幾乎是不可能的,“工程師說。


   這項新技術用途廣泛,由于其體積小,輻射強度高,UV-C LED也可用于醫療設備,以便有針對性地對液體,難以觸及的區域進行消毒。例如,盡管有復雜的照射幾何形狀,但使用特殊配置的LED裝置可以有效地消毒內窺鏡和超聲波探頭。


   該技術項目得到了德國聯邦教育與研究部(BMBF)的支持,作為其2020年“生命先進紫外線”倡議的一部分。(信息來源:弗勞恩霍夫官網;編譯:LED新看點)


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