免除藍(lán)寶石襯底垂直設(shè)計(jì)提升LED的性能

GaN LED被廣泛的應(yīng)用在手機(jī)鍵盤(pán)、背光元件、照相機(jī)閃光燈、全色戶外顯示等領(lǐng)域，但是，它們的輸出功率還不足以引人注目地滲入固態(tài)照明市場(chǎng)。這首先是因?yàn)長(zhǎng)ED相關(guān)的不良熱處理特性以及不能在高亮度輻射所需要的高注入電流狀態(tài)下正常工作。

圖.采用金屬合金襯底技術(shù)，SemiLEDs面積僅1mm2的GaN LED能產(chǎn)生0lm/W的全彩輸出。由于n-GaN層增強(qiáng)的電流傳播模式，光輻射模式非常一致。
不過(guò)，按照SemiLEDs公司最先提出的方法，通過(guò)將GaN LED生長(zhǎng)在電導(dǎo)和熱導(dǎo)性襯底上，這一問(wèn)題得以解決。我們生長(zhǎng)在金屬襯底上的垂直LED（VLEDMS）使用了低成本大規(guī)模的生長(zhǎng)過(guò)程，利用一種新型垂直設(shè)計(jì)，以金屬合金襯底為主要特征。這些輻射器給出了傳統(tǒng)和倒裝LED設(shè)計(jì)所沒(méi)有（圖1）的許多優(yōu)點(diǎn)，能夠在350mA的驅(qū)動(dòng)電流下提供75lm/W的發(fā)光效率，這也是迄今為止的最高輸出功效之一。

圖.SemiLEDs有超過(guò)20項(xiàng)倍受保護(hù)的專利技術(shù)，并用來(lái)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造和出售高亮度的LED。公司總部在美國(guó)硅谷的Milpitas，在臺(tái)灣Hsinchu Science Park也有分部。

藍(lán)寶石的缺點(diǎn)
源于生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上滋生的不良熱性能和電學(xué)性能，這影響了傳統(tǒng)的GaN LED的發(fā)光效率。藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率僅僅只有35W/mK（圖2），這限制了LED的工作電流。而材料也是一種絕緣體，n型接觸無(wú)法附著在襯底的背面，只能成形在n型層的頂部。這意味著有源層必須從芯片上刻蝕，這將使輻射強(qiáng)度減弱20-30%。在其頂部一側(cè)擁有兩種接觸的LED也會(huì)導(dǎo)致電流經(jīng)過(guò)n型GaN層傳輸，這將會(huì)造成電流擁堵以及更高的動(dòng)態(tài)阻抗從而提高器件溫度。
傳統(tǒng)的GaN LED還會(huì)由于在p型GaN層中的低電流分布而遭遇不均勻光輻射。這個(gè)缺點(diǎn)能夠通過(guò)半透明接觸層或者器件橫向電流的交叉電極陣列而得到克服。但是，半透明層也會(huì)吸收掉一些芯片的輻射從而降低輸出功率。

圖1.通過(guò)使用垂直結(jié)構(gòu)和在器件的背面使用n型和p型電極的金屬合金襯底（c），SemiLEDs解決了幾個(gè)限制傳統(tǒng)晶片（a）和倒裝晶片（b）LED性能的問(wèn)題，比如電流擁堵和器件發(fā)熱等。

正是這些缺點(diǎn)使得最主要的LED制造商比如Lumileds轉(zhuǎn)而使用倒裝晶片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。但是，為了形成n型接觸，這種方法仍然需要從p-GaN和激活層刻蝕材料，這再次減小了輻射范圍。電流從陽(yáng)極傳到陰極仍然沿著n-GaN層，這意味著電流擁堵和更高的動(dòng)態(tài)阻抗問(wèn)題仍然不可避免。
相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，倒裝晶片LED的一個(gè)好處就是提高了散熱能力，并且產(chǎn)生更高的抽取效率，這部分歸因于有圖案的或者起紋理的藍(lán)寶石表面，但是這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生非常復(fù)雜。

圖2.在所有被用來(lái)制造GaN LED的常用襯底中，藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率最低。如果說(shuō)Cree采用SiC襯底是一個(gè)創(chuàng)舉，SemiLEDs采用金屬合金襯底更加可取。


SemiLEDs的VLEDMS方法克服了許多制約傳統(tǒng)和倒裝晶片LED性能的缺點(diǎn)。例如，這種方法不需要刻蝕任何材料來(lái)形成n型電極，相對(duì)于同等尺寸生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的LED，這將會(huì)增強(qiáng)輻射能力。同時(shí)，由于電流是在垂直方向上經(jīng)過(guò)器件，電流擁堵也可以避免，動(dòng)態(tài)阻抗也明顯減弱。

免除藍(lán)寶石襯底的優(yōu)勢(shì)
我們的芯片結(jié)構(gòu)也提高了器件中的電流分布。芯片可以在不降低性能的前提下?lián)碛休^大的尺寸，并避開(kāi)對(duì)減弱輸出效率的半透明傳導(dǎo)層的需要。
除此之外，由于銅合金襯底有更高的熱導(dǎo)率，我們的VL

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