高壓發(fā)光二極管的研制及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

鄭建森

廈門(mén)市三安光電科技有限公司，福建廈門(mén) 361009

0 引言

發(fā)光二極管是利用半導(dǎo)體的P-N 結(jié)電致發(fā)光原理制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，具有無(wú)污染、亮度高、功耗小、壽命長(zhǎng)、工作電壓低、易小型化等優(yōu)點(diǎn)。隨著研究不斷深入，其發(fā)光亮度也不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣[1]。近年來(lái)，隨著 LED 在材料選取、晶粒制程、封裝架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)等方面的研究不斷進(jìn)步，新型的高壓發(fā)光二極管（HV-LED）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，有利推動(dòng)了 LED 照明技術(shù)的實(shí)用化[2]。

目前，Cree 仍是照明LED 技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，并已推出160lm/W 產(chǎn)品，但價(jià)格相對(duì)偏高。歐司朗、日亞、晶電、璨圓也先后推出發(fā)光效率分別達(dá)136lm/W 、133lm/W、110lm/W 和100lm/W 的高壓HV-LED 芯片。此外，武漢迪源也研發(fā)出高壓芯片，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

1 新型HV-LED 與傳統(tǒng)DC-LED 的特點(diǎn)對(duì)比

傳統(tǒng)DC-LED 芯片是在大電流低電壓下工作，為提升使用電壓，一般在封裝端采用多顆芯片串并聯(lián)，而新型HV-LED直接在芯片端便實(shí)現(xiàn)了晶粒間的串并聯(lián)，使其在低電流高電壓下工作，大大減少了芯片固晶、鍵合數(shù)量，封裝成本降低。

HV-LED 芯片是在單位面積內(nèi)形成多顆微晶粒集成，而COB 是采用若干個(gè)HV-LED 芯片集成，避免各芯片間同波段內(nèi)如波長(zhǎng)、電壓、亮度跨度帶來(lái)的一致性問(wèn)題； HV-LED 芯片自身工作電壓高，易通過(guò)串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)封裝成品工作電壓接近市電，提高驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率；由于工作電流低，線路損耗也將明顯低于傳統(tǒng)的 DC 功率LED 芯片。

2 HV-LED 的工藝技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

集成式HV-LED 與傳統(tǒng)DC-LED 的制作工藝比較相似，區(qū)別是需外加三步關(guān)鍵工藝，其中每步工藝都對(duì)器件的光電特性、良品率等有重要影響。

1）蝕刻隔離溝槽。隔離目的在于將晶片上每個(gè)單元內(nèi)的若干顆的晶胞獨(dú)立開(kāi)來(lái)，實(shí)現(xiàn)電學(xué)隔開(kāi)，因此隔離溝槽需要足夠地深，直至絕緣襯底，其深度一般在5um～10um，隔離溝槽寬度則無(wú)固定限制，但隔離溝槽太寬代表著有效發(fā)光區(qū)域的減少，會(huì)降低光效，因此需要開(kāi)發(fā)高深寬比的制程技術(shù)，縮小制程線寬以增加發(fā)光效率；

2）沉積絕緣層，若絕緣層不具備良好的絕緣特性，將使整個(gè)設(shè)計(jì)失敗，其難點(diǎn)在于必須在高深寬比的溝槽上披覆包覆性良好、膜質(zhì)緊密及絕緣性佳的膜層，即所選的膜層材料除了要有非常好的絕緣性能，也需要有非常好的階梯覆蓋保形能力，讓晶片每個(gè)單元的側(cè)壁上都能沉積優(yōu)質(zhì)均勻的薄膜；

3）晶片間金屬導(dǎo)線互聯(lián)。良好的連接是導(dǎo)線在跨接時(shí)需要相對(duì)平坦的表面，深邃的階梯狀結(jié)構(gòu)將使得導(dǎo)線結(jié)構(gòu)薄弱，在高電壓、高電流驅(qū)動(dòng)下易產(chǎn)生毀損，造成晶片失效，因此平坦化制程的開(kāi)發(fā)非常重要。理想狀態(tài)是在做絕緣層時(shí)，能同時(shí)將深邃的溝槽予以平坦化，使互連導(dǎo)線得以平順連接，如圖1所示。

圖1 HV-LED 晶片間的金屬導(dǎo)線互聯(lián)SEM 圖

3 HV-LED 芯片的制作與應(yīng)用

GaN 基藍(lán)光LED 電壓在3.0V～3.2V，HV-LED 主要用于封裝成球泡燈、射燈、落地面板燈等。以5W 球泡燈為例，介紹HV-LED 的制作與應(yīng)用。為了球泡燈能在家用電壓下正常工作，同時(shí)考慮實(shí)際應(yīng)用中串入恒流IC 以及兼顧性能、良率、成本等因素，將23*45mil 芯片設(shè)計(jì)成單顆18V 的HV-LED，單顆芯片上需要形成6 顆獨(dú)立且串聯(lián)在一起的微晶粒組，簡(jiǎn)稱HV-6。23*45mil HV-LED 的電流驅(qū)動(dòng)設(shè)定為20mA，單顆HVLED 的電功率消耗估算值約為0.36W，為了制作5W 球泡燈，采用15 串HV-6 串聯(lián)，并接入簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路以實(shí)現(xiàn) HVLED 在AC220V 下正常工作。

圖2 為集成式HV-LED 芯片在20mA 電流下的光場(chǎng)分布圖，可以看出，點(diǎn)亮后芯片表面無(wú)明顯暗區(qū)，這說(shuō)明每顆微晶粒都是正常工作的，電流的分布大致均勻，具有良好的電流擴(kuò)展性。

圖2 HV-LED 的光場(chǎng)分布圖

為比較HV-LED 與傳統(tǒng)DC-LED 光電特性，同時(shí)設(shè)計(jì)并制作10*23mil DC-LED 芯片，其外延片選用和HV-LED 同爐同圈，芯片工藝流程一致，驅(qū)動(dòng)電流是20mA，工作電壓約為3.1V，對(duì)應(yīng)的電功率消耗約為0.062W，采用90 顆10*23mil DC-LED 芯片以COB 封裝形式用于5W 球泡燈，這樣保證90顆傳統(tǒng)10*23mil DC-LED 芯片與15 顆23*45mil HV-LED 的電功率消耗相當(dāng)。

采用LED 光色電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)5W 球泡燈（測(cè)試電流為20mA）進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1 所示。

表1 HV-LED 與常規(guī)DC-LED用于封5W 球泡燈的光電特性比較表

從表1 看出，23*45mil HV-LED 的芯片光效平均值約為115lm/W，較傳統(tǒng)10*23mil DC-LED 高出約8%，這說(shuō)明HVLED 結(jié)構(gòu)較DC-LED 光效萃取地更多，更適合用于封球泡燈。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)圖形化藍(lán)寶石襯底外延生長(zhǎng)、芯片晶粒間隔離及晶粒間金屬互聯(lián)等多種工藝技術(shù)的優(yōu)化，成功開(kāi)發(fā)出集成式高壓氮化鎵基發(fā)光二極管，其產(chǎn)業(yè)化光效超過(guò)110lm/W；20mA 下光場(chǎng)分布圖，顯現(xiàn)出良好的電流擴(kuò)展性；與傳統(tǒng)DCLED 相比，封5W 球泡燈時(shí)，HV-LED 芯片光效超過(guò)115lm/W，高出約8%，達(dá)到同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。三安光電已開(kāi)發(fā)系列化高壓HV-LED，主要有HV-4、HV-6、HV-15 等多種尺寸不同電壓的芯片產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)客制化。

[1]羅毅，張賢鵬，韓彥軍，等.半導(dǎo)體照明關(guān)鍵技術(shù)研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2007，44(3)：17-28.

[2]Zhou S J，Cao B，Liu S.Optimized ICP etching process for fabrication of oblique GaN sidewall and its application in LED[J].Appl.Phys.A-Mater.，2011，105(2)：369-377.