GaN基交流高壓大功率LED芯片及其燈具的研制

汪延明，何 鵬，苗振林，季 輝

(湘能華磊光電股份有限公司，湖南 郴州 423038)

GaN基交流高壓大功率LED芯片及其燈具的研制

汪延明，何 鵬，苗振林，季 輝

(湘能華磊光電股份有限公司，湖南 郴州 423038)

設(shè)計并制備了110V GaN基交流高壓LED芯片，闡述了其制作的關(guān)鍵工藝，并通過I-U-L曲線，近場光型等手段進行表征，該芯片具有良好的光電性能，通過兩并兩串方式封裝在陶瓷支架并匹配相應(yīng)的限流電阻組裝成燈具，對比測試了燈具初態(tài)和穩(wěn)態(tài)下的光電參數(shù)。

氮化鎵；發(fā)光二極管；交流高壓芯片；大功率

引言

發(fā)光二極管(LED)以其體積小、亮度高、壽命長、能耗低、光色可調(diào)、堅固耐用等諸多特點被廣泛研究和應(yīng)用于照明[1]、顯示、背光、生物[2]、農(nóng)業(yè)[3]等各個領(lǐng)域。LED封裝技術(shù)經(jīng)歷著Lamp、SMD、COB、EMC等形式的不斷優(yōu)化，以滿足各種需求，其散熱技術(shù)不斷進步，其可靠性不斷提高，因此在應(yīng)用端，LED封裝后的體積往小型化發(fā)展，對芯片集成度的要求越來越高。

集成式大功率LED芯片是以串聯(lián)或者并聯(lián)的形式連接，形成小電流大電壓的高壓LED和小電壓大電流的并聯(lián)LED。高壓LED一方面驅(qū)動電流小，更有利于緩解droop效應(yīng)引起的效率下降[4-5]，另一方面可以減少AC/DC轉(zhuǎn)換所造成的效率損失，而且大幅降低了對散熱系統(tǒng)的設(shè)計要求。并聯(lián)LED則能更好的克服大功率芯片電流擴展不佳的難題，同時將大功率芯片分成了若干小芯片，增加了總體的出光面積，有利于提高發(fā)光效率。

本文設(shè)計并研制了交流高壓110V大功率LED芯片，闡述了其芯片制作的關(guān)鍵工藝，測試了其相關(guān)光電性能。

1 實驗

本實驗所用的外延片是在藍寶石圖形襯底(PSS)上用Veeco K465I生長的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。首先在PSS上濺射一層25nm的氮化鋁(AlN)然后再依次外延生長u-GaN、n-GaN、MQW、p-GaN等完整的GaN基LED結(jié)構(gòu)。再在外延片的基礎(chǔ)上進行交流高壓芯片的設(shè)計與制作。

1.1 交流高壓LED芯片設(shè)計

圖1所示為本實驗設(shè)計的交流高壓LED的原理圖。其中電極A與B是交流高壓芯片焊盤，每顆交流高壓LED芯片由8個單元串聯(lián)而成，每個單元均包含7顆LED單胞，7顆單胞的連接方式如圖1所示，在交流電源驅(qū)動下，不管電流從A流向B，還是從B流向A，每個單元均同時有5顆單胞發(fā)光，并且中間起“橋”作用的三顆芯片總是保持點亮狀態(tài)。因此，為了盡可能提高發(fā)光光效，在設(shè)計時將中間“橋”三顆芯片面積設(shè)計得較大，四周四顆芯片面積較小。在此交流高壓芯片正常工作時，四周四顆芯片中未點亮的兩顆每一顆LED單胞兩端均承受著4顆GaN基LED芯片串聯(lián)的電壓之和。按照測算，一般單顆GaN基LED藍光芯片的電壓在3～3.6V之間，四顆串聯(lián)的電壓在12～14.4V之間，本公司外延結(jié)構(gòu)下的單顆芯片反壓在50V@-10μA以上，承受能力遠大于實際值。

圖1 本實驗設(shè)計的交流高壓LED的原理圖Fig.1 Schematics of the A C-H V LED Chip

1.2 交流高壓LED芯片制作

圖2是按照原理設(shè)計并制作的交流高壓LED芯片的顯微鏡照片。整顆芯片的尺寸是900 μm×2 000 μm，焊盤的大小是90 μm×90 μm。先將外延片進行清洗，再用光刻和ICP刻蝕等方法做出臺面(MESA)，去膠清洗后再用厚膠和ICP刻蝕做出隔離道(ISO)，隔離道中需要將外延層刻蝕干凈至露出PSS，再用PECVD沉積SiO2作為電流阻擋層(CB)，經(jīng)過正常的光刻、腐蝕、去膠等作出CB圖形，清洗干凈后進行ITO的沉積、光刻、腐蝕、去膠等完成ITO圖形制作，再用負膠進行光刻、電極金屬蒸鍍、剝離去膠等步驟完成電極的制作，最后再用SiO2制作鈍化層，再經(jīng)過正常的研磨、拋光、背鍍DBR、切割、裂片、點測、分選等步驟完成芯片制作。

圖2 交流高壓LED芯片實物顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Optical microscope photograph of the AC-HV LED chip

1.3 交流高壓LED芯片制作的關(guān)鍵點

交流高壓芯片和普通高壓芯片一樣，ISO溝道處的絕緣、橋接是關(guān)鍵工藝。如圖3所示為交流高壓芯片部分ISO的絕緣與橋接的俯視SEM圖。ISO橋接處要求做到以下幾點：

1)ISO溝道里面的GaN層要刻蝕干凈,直到露出圖形藍寶石襯底；

2)絕緣隔離層的絕緣性、致密性要足夠好，否則會出現(xiàn)漏電、單胞不亮、電極金屬燒毀、各單胞之間亮度不均勻等異常；

3)ISO和MESA均是下底寬度窄，上底寬度寬，保證絕緣層和金屬層“爬坡”順暢，保證側(cè)壁的絕緣層和金屬層的厚度，如圖4(a)所示，側(cè)壁的絕緣層和金屬層厚度要在表面上厚度的0.6倍以上才能順利通過老化等可靠性測試(開發(fā)過程中反復驗證的結(jié)果)；ISO和MESA的坡度(斜坡與水平面的角度)要在60度以下，否則可能出現(xiàn)斜坡上的絕緣層和金屬層不夠厚而影響電壓、亮度、可靠性等性能，或者金屬層在“爬坡”處出現(xiàn)斷裂和裂縫,如圖4(b)所示；

4)ISO和MESA邊緣齊整、平滑，不能出現(xiàn)類似圖4(c)所示的溝壑形貌；

5)橋接金屬層要足夠?qū)捄妥銐蚝?。因為在工作時，橋接金屬起導線的作用，其串聯(lián)電阻要足夠小才能保證其可靠性和穩(wěn)定性，注意橋接金屬做得太寬會影響亮度，因此需要在亮度和可靠性之間做出權(quán)衡。

圖3 交流高壓LED芯片ISO溝道處橋接SEM圖Fig.3 SEM image of ISO roads bridges of AC-HV LED chip

圖4 (a)MESA、ISO斜坡及表面和側(cè)壁金屬厚度SEM圖；(b)金屬層在“爬坡”處出現(xiàn)斷裂和裂縫；(c)ISO側(cè)壁溝壑形貌Fig.4 (a)SEM picture of thickness of metal on MESA and ISO position,(b)metal layer crack on ISO slope,(c)gully morphology of ISO side wall

2 結(jié)果及分析

2.1I-U-L曲線

實驗準備了2.2 μm和3.2 μm兩種電極厚度的樣品，進行了I-U-L曲線測試，如圖5所示，測試機臺是惠特LPT6000型點測機，所用電源為keithley2400。根據(jù)此芯片的設(shè)計，不管電流方向如何，總是有40顆單胞同時被點亮。在圖5中虛線的兩側(cè)代表的是同一個芯片固定電流方向后正向和反向的I-U-L曲線，兩側(cè)曲線接近對稱，說明該交流高壓芯片樣品性能良好。從圖5中可以看出，不管電極厚度是2.2 μm還是3.2 μm，隨著電流從2 mA增加到18 mA，其亮度和電壓呈線性增加，這是40顆單胞串聯(lián)后總亮度和電壓隨電流變化的結(jié)果。3.2 μm電極厚度比2.2 μm電極厚度在相同電流下，電壓更低，亮度更高。這是因為電極厚度越厚，降低了電流擴展過程中的電阻，電流擴展能力增強，因此電壓更低[6]。同時因為電流擴展更好，發(fā)光更均勻，在相對電流密度集中的區(qū)域的電流密度更小[7-8]，發(fā)光效率更高，因此亮度相對更高。

圖5 2.2 μm和3.2 μm電極交流高壓LED芯片的I-U-L曲線Fig.5 I-U-L LED curve of AC-HV chip with electrode thickness 2.2 μm and 3.2 μm

2.2 光型分析

如圖6(a-b)所示是本實驗的交流高壓芯片正向和反向7 mA點亮時的近場光型圖，從圖中可以看出不管是正向還是反向，芯片按照設(shè)計的方式被點亮，沒有出現(xiàn)局部暗亮或者某些單胞不亮的現(xiàn)象，并且其光型較為均勻。圖6(c-d)是普通正裝400 μm×825 μm芯片分別在20 mA和150 mA下測試的近場光型圖，圖6(c-d)中可以明顯看出，同一顆芯片，20 mA下比150 mA下光型要均勻很多，此現(xiàn)象驗證了隨著電流密度的增加，電流擁擠效應(yīng)[9]更為明顯的結(jié)論。因為高壓集成芯片驅(qū)動電流較小，一方面電流擁擠效應(yīng)較小，另一方面緩解了droop效應(yīng)引起的效率下降，因此高壓集成芯片正常工作時能獲得更高的光效。

圖6 (a～b)分別是交流高壓芯片正向和反向7 mA下的近場光型圖，(c～d)分別是正裝400 μm×825 μm芯片在20 mA和150 mA下的近場光型圖Fig.6 (a～b)image of near-field emission intenaity distribution of positire and negatire AC-HV chip at 7 mA,(c-d)image of near field emission intensity distribution of normal 400μm×825μm chip at 20 mA and 150 mA

2.3 應(yīng)用

將四顆所獲得的交流高壓LED芯片按照兩并兩串的方式，用銀漿固定在陶瓷基板支架上，如圖7(a)固晶示意圖所示。通過焊線將四顆芯片實現(xiàn)電性連接，再用熒光粉、硅膠等將芯片封裝成目標色溫3 000 K的燈珠，如圖7(b)所示。再組裝成如圖7(c)的燈具。此燈具的底座中含有匹配的限流電阻，沒有變壓器等電源器件，也沒有整流設(shè)施。

圖7 (a)固晶示意圖；(b)封裝后燈珠；(c)燈具(未蓋燈罩)Fig.7 (a)diagrammatic sketch of chips arrangement;(b)Lamp after package;(c)Lamps and lanterns (without lamp shade)

將此燈接普通民用市電(220V交流電)，用積分球測試燈具的各項光電參數(shù)，串接萬用表，測試到正常點亮時通過單顆芯片的電流有效值為7 mA。在燈具常溫下進行初態(tài)測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示，將燈具持續(xù)點亮30分鐘后進行穩(wěn)態(tài)測試，測試數(shù)據(jù)如表2所示。對比表1和表2的數(shù)據(jù)，從初態(tài)到穩(wěn)態(tài)，6顆成品燈的色坐標變化很小，光通量平均值從210.6lm下降到206.18lm，下降2.1%，同時整燈所消耗電功率平均值從3.276W上升到3.542W，上升8.1%。這有幾個方面的原因，一是初態(tài)下溫度較低，芯片的發(fā)光效率較高，而穩(wěn)態(tài)時整燈的溫度較高(用紅外熱像儀測試燈珠表面約75℃)，發(fā)光效率較低[10-11]；二是該燈具是在普通市電下工作的，因此通過芯片和限流電阻的電流和其兩端的電壓是隨時間呈正弦函數(shù)變化的，每個單元四周的四顆芯片相當于在進行周期性的點亮與熄滅，中間三顆芯片相當于在進行變化電流和電壓驅(qū)動方式下的老化，在穩(wěn)態(tài)下，其限流電阻與燈珠的匹配性變差，使得消耗的電功率增大。

表1 交流高壓LED燈具初態(tài)測試值Table 1 Test resuvt of the AC-HV LED Lamps in intial-state

表2 交流高壓LED燈具穩(wěn)態(tài)測試值Table 2 Test resuvt of the AC-HV LED lamps in steady-state

3 結(jié)論

本文設(shè)計并制備了可直接用普通市電驅(qū)動的110V交流高壓LED芯片，并通過I-U-L曲線，近場光型，封裝整燈初態(tài)和穩(wěn)態(tài)測試等方式進行表征，該芯片具有良好的光電性能，通過兩并兩串封裝在陶瓷支架并匹配相應(yīng)的匹配電阻組裝成燈具。此燈具經(jīng)過老化加大電流(通過調(diào)整限流電阻來改變電流有效值到10 mA)老化測試，應(yīng)用到照明領(lǐng)域，因為焊線次數(shù)少，芯片高度集成，無驅(qū)動電源，具有結(jié)構(gòu)簡單，組裝快捷，成本低廉，體積較小，使用方便等優(yōu)勢，被終端用戶應(yīng)用到車內(nèi)、冰箱內(nèi)等多種照明場合。

[1] 程雯婷，孫耀杰，童立青，等.白光LED顏色質(zhì)量評價方法研究[J].照明工程學報，2011,22(3)：37-42.

[2] 牟麗霞，楊春霞，葉翔平，等.LED燈光生物安全性對比結(jié)果分析[J].照明工程學報，2016,27(5)：9-12.

[3] 李雅旻，鄭胤建，譚星，等.不同光質(zhì)補光對番茄、黃瓜幼苗生長的影響[J].照明工程學報，2016,27(5)：68-71.

[4] Min-Ho Kim,Martin F.Schubert,Qi Dai, et al. Origin of efficiency droop in GaN-based Light-emitting diodes[J].Appl.Phys.Lett.2007,91,183507.

[5] 汪延明，徐林煒，談健，等.InGaN基發(fā)光二極管光效下降效應(yīng)研究進展[J].激光與光電子學進展，2012,49：120002.

[6] KIM Hyunsoo, PARK Seong-Ju, HWANG Hyunsang. Effects of current spreading on the performance of GaN-based light-emitting diodes[J].IEEE Transaction on electron devices, 2001, 48(6):1065-1069.

[7] MALYUTENKO V K, BOLGOV S S, PODOLTSEV A D. Current crowding effect on the ideslity factor and efficincy droop in blue lateral InGaN/GaN light emitting diodes[J]. Appl.Phys.Lett., 2010, 97:251110.

[8] BOGDANOV M V, BULASHEVICHM K A, KHOKHLEV O V, et al. Current crowding effect on light extration efficency of thin-film LEDs[J].phys.stat.solidi(c), 2010, 7-8:2124-2126.

[9] GUO X, SCHUBERT E F. Current crowding and optical saturation effects in GaInN/GaN light-emitting diodes grown on insulating substrates[J].Appl.Phys.Lett.，2001,78(21)：3337-3339.

[10] HORI A, SUNAGA D，Ya, SATAKE A, et al. Temperature dependence of electroluminescence intensity of green and blue InGaN singe-quantum-well light-emitting diodes[J].Appl.Phys.Lett.，2001,79(22)：3723-3725.

[11] CAO X A, LEBOEUF S F, ROWLANEL L B. Temperature-dependence emission intensity and energy shift in InGaN/GaN multiple-quantum-well light-emitting diodes[J].Appl.Phys.Lett.，2003,82(21)：3614-3616.

Development of Alternating-Current-Driven GaN-Based High-Voltage High-Power LED Chips and Its Lamp

WANG Yanming, HE Peng, MIAO Zhenlin, JI Hui

(XiangNengHuaLeiOptoelectronicCorporation,ChenZhou423038,China)

This paper presents the design and preparation of the alternating current high voltage chip (AC-HV chip) based GaN, and elaborates the critical process of its preparation, and its characterization of the performance with I-U-L curve and near-field patterns distribution. The result indicated that the AC-HV chips had good performance. After assembled as lamps with current limit resistor and packaged on frame based ceramic with two parallel and two series connection model, the performance of the lamps on the initial-state were compared with the steady-state.

GaN; LED; AC-HV chips; power chip

湖南省科技計劃項目，項目編號2016WK2063；湖南省專利技術(shù)產(chǎn)業(yè)化促進項目。

汪延明，E-mail:wym8105@163.com

TN312+8

B

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.006