GaN基板主要有两大作用

　　采用新基板而非蓝宝石基板的LED还有一项技术也备受关注，即使用GaN基板的“GaN on GaN”技术（图11）。GaN基板主要有两大效果。一是（3）通过为LED芯片加载大电流密度，大幅提高亮度。二是（4）确保高显色指数，实现眩光少、保护眼睛的光。

　　图11：GaN on GaN也开始实现产品化

　　Soraa公司采用GaN on GaN技术的紫色LED的特性和产品（a、b），以及日本碍子的GaN基板及蓝色和绿色LED的试制示例。发挥了GaN on GaN技术在大电流密度下也能实现高发光效率的特点。（图（a）由Soraa公司提供，照片由各公司提供）

　　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”）。

　　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（图11）。

　　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。

　　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

　　PSS（Patterned Sapphire Substrate）是有助于大幅提高LED发光效率的技术之一。该技术通过在蓝宝石基板表面形成数μm间距的凹凸图案，能将LED的光提取效率提高2～3成。2003～2004年，旨在提高LED光提取效率的研究兴起，并在这一过程中发现了该技术，2009年前后开始用于量产品。可以说，目前大部分LED都采用该技术。

　　PSS之所以能提高光提取效率，是因为GaN发出的光在基板上反射时，PSS能抑制向接近基板的水平方向反射的光。这部分光线在LED芯片内部反复进行全反射，无法放射到外部。虽然道理很简单，但制作什么形状的凹凸图案其实有很多技巧。

　　图12：微细加工技术或能大幅提高发光效率

　　对蓝宝石基板等的表面进行微细加工的技术及其效果。