大多数现代LED是由铟镓氮化物(InGaN)和蓝宝石衬底的组合构成的。该架构运行良好，并允许LED制造商提供超过150 LM/W的功效的产品，然而，该架构确实存在一些缺陷，这促使芯片制造商寻求其他选择。
一个商业上成功的替代物是碳化硅(SiC)，并且基于基材的LED已经在市场上销售了两年。现在，新一代的技术已经发布，承诺将目前最亮的单LED的亮度提高一倍，并将照明灯具的成本降低40%。
本文着眼于SiC技术，并描述了基于材料的最新芯片，看看它们如何与前一代和当代蓝宝石衬底LED相比较。
制造挑战
InGaN是当今高亮度白光LED制造的首选材料。半导体的带隙被小心地操纵，使得LED芯片发出蓝色光子，其中大部分被LED的磷光体涂层吸收并在光谱的黄色部分中重新发射。蓝色和黄色光的混合产生了很好的近似白光。
不幸的是，与大多数集成电路所用的硅不同，它可以便宜地生产，导致低成本的组件，InGaN难以在大铸锭中制造。LED制造商通过使用外延技术，例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)来克服这个困难。这一过程克服了生长大量InGaN的需要，而是通过在合适的衬底上沉积连续薄膜来建立材料。
基材最常见的材料是蓝宝石(Al2O3)。这种矿物便宜，耐用，是一种好的绝缘体。图1显示了蓝宝石衬底LED的横截面。
蓝宝石衬底LED图像
图1：蓝宝石衬底发光二极管。
蓝宝石的最大缺点是其晶格结构与InGaN之间存在很大的失配。这种不匹配在制造过程中将微裂纹(称为“穿线位错”)引入到LED结构中，这损害了LED的效能，因为在这些位置发生的电子和空穴之间的重组主要是“非辐射的”。换句话说，没有可见光子是EMI。附图。更糟糕的是，微裂纹随着温度和老化而倍增，缩短了器件的寿命(见技术区文章“材料和制造改进提高LED效率”)。
这并不是说蓝宝石衬底的LED性能很差。一些主要制造商提供基于材料的经过验证的产品。例如，飞利浦LUMIDES’Luxeon T白光LED产生249 LM(在2.8 V，700毫安)，功效为127 LM/W(图2)。此外，欧司朗的OsLon SSL 150白色能够产生136 LM(在3.1 V，350毫安)，功效为125 LM/W。
飞利浦LUMIDES Luxeon T图像
图2：飞利浦LUMIDES Luxeon T是一种高性能蓝宝石衬底LED。
超高功率LED
SiC被引入作为LED制造的替代品，因为与InGaN的晶格失配比蓝宝石要小得多。微裂纹仍然可以发生，但是缺陷密度显著降低，提高了效率并延长了LED寿命。主要缺点是相对高的材料和制造成本以及需要许可费的专利过程。
克里-也许是不足为奇的，因为它拥有许多工艺专利，它倡导使用SiC衬底来制造LED。它的第一个商业化的SiC器件，XLAMP XB-D系列，于2012年初发布。芯片使用了公司的“SC3”技术。XLab-XB-D是一个97 LM/W器件(在350毫安)，如果电流达到1 A，它可以产生高达213 Lm。
该公司最近宣布，它的下一代碳化硅发光二极管现在可用于采样。这一次，“极端高功率(XHP)”设备采用标有“SC5”的技术。该公司声称，新的设备将使照明设计师与中等功率LED相比，在系统成本上节省40%(对于相同的光输出)。电源LED为照明应用提供了更便宜的替代品。这些节省主要实现，因为较少的明亮的LED需要相同的光输出。
Cree还没有发布XHP设备的全部规范，但是解释了一个设备可以产生1800 LM，其功效为112 LM/W，总功耗为16.1 W。所有LED都随时间而褪色(一旦器件的输出小于70%(L70)，当它被认为是新的时。失败(见技术区文章)确定LED额定寿命：一个棘手的挑战)，XHP产品也不例外。然而，该公司表示，即使在35000小时后，LED仍将提供至少90%的原始亮度。图3显示了XHP包。
克里XHP形象
图3：CRE XHP生产的两倍的当代高功率LED的输出。
为了生产1800 LM使用该公司的中档XLAM-MX-3S LED -一个104 LM(在10.7伏，115毫安)的设备，具有85 LM/W的功效-将需要一个十八个设备的阵列，总共消耗22.1瓦。该公司说，一个XHP LED甚至会产生双倍流明。S目前的高功率产品，如XM-L2。根据数据表，XM L2在2.85 V、700毫安时输出270 LM。
照明设备中LED的数量需要更大、更复杂的PCB、更高的组装成本、更大的散热器以及更复杂的光学器件——这就增加了更昂贵的最终产品。(见TeaStand文章“LED封装和功效提高内腔密度”。
Cree解释说，当使用XHP LED来减少芯片数量时所节省的40%来自简化最终产品设计和组装过程。这不考虑在阵列中配色多个LED的额外时间和费用，以确保输出的均匀性(尽管制造商可以提供克服这一挑战的LED阵列)[参见技术区文章“芯片上的LED模块的崛起”]。
未来的进一步发展
蓝宝石衬底LED已成为固态照明产业的支柱。基于该技术的市场上有许多高性能芯片。然而，在这样一个高度竞争的行业中，制造商总是在寻找一种优势，而基于SiC技术的新一代设备据说比传统设备提供更高的亮度，允许工程师使用更少的LED用于相同的输出，简化和收缩。王照明灯具，同时降低成本。
然而，LED技术还远未成熟，蓝宝石和SiC是目前的领导者，其他材料，包括氮化镓(GaN)本身，甚至低硅——正在开发中(见技术区文章)，硅衬底会推动LED照明进入主流吗?“”。一些制造商甚至在实验中完全不用基板。