用于通用照明的大電流密度的高電壓交/直流LED芯片

　　1、正裝結(jié)構(gòu)的大電流密度的LED芯片

圖1：Nichia的正大電流密度芯片的截面圖

　　2010年9月，一直以開發(fā)和生產(chǎn)小芯片著稱的日亞（Nichia）公司宣布：在實(shí)驗(yàn)室中，1x1mm2正裝結(jié)構(gòu)的大電流密度LED芯片，在1000mA電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，效率達(dá)到135lm/W（4700k）。（摘自“中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)”）

　　Nichia的正裝結(jié)構(gòu)的大電流LED芯片的主要的特征是：優(yōu)化外延層設(shè)計(jì)、改進(jìn)電學(xué)設(shè)計(jì)去降低電壓、采用圖形藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底、采用低電阻和高透光率的ITO（電阻是7歐姆，透光率大于90%），見圖1。

　　對(duì)于以藍(lán)寶石為襯底的正裝大電流密度LED芯片，對(duì)于封裝的散熱性能要求更高。

　　另外，在向芯片輸入大電流時(shí)，需要防止電流從打線焊盤直接向下經(jīng)過ITO層流向發(fā)光層。

　　2、垂直結(jié)構(gòu)的大電流密度的LED芯片

　　2010年3月，科銳（Cree）推出大電流密度的直流LED芯片產(chǎn)品：XLamp-XP-G，在1500mA電流驅(qū)動(dòng)下，得到460lm的光通量，相當(dāng)于4個(gè)Cree的XLampXR-E（摘自“中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)”）。

　　在向芯片輸入大電流時(shí)，需要防止電流從打線焊盤直接流向N-GaN外延層，造成局部電流擁塞。解決方法的專利技術(shù)之一是，打線焊盤形成在絕緣層上，見圖2。

　　2010年4月，Osram推出大電流密度的直流LED芯片產(chǎn)品：UX-3，在3000mA電流驅(qū)動(dòng)時(shí)得到830lm，見圖3（摘自“中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)”）。

　　Osram按照在大電流密度時(shí)效率下降的俄歇復(fù)合的理論設(shè)計(jì)外延層結(jié)構(gòu)，由于俄歇復(fù)合的發(fā)生概率與載流子密度的3次方成比例，因此，降低載流子密度的話，便可減少俄歇復(fù)合的發(fā)生，通過加厚活性層，降低了載流子密度?；钚詫硬⒎呛?jiǎn)單加厚，而是對(duì)摻雜量等進(jìn)行了優(yōu)化。另外，其芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與Lumileds的芯片基本相同：多個(gè)通孔中的導(dǎo)電栓把n型限制層與導(dǎo)電支持襯底電連接；這種結(jié)構(gòu)使得電壓均勻加到p型限制層，消除了電流密度局部較高的部分。不同之處在于，其p型限制層通過金線與外界電源電連接。

　　2010年11月，Cree推出型號(hào)為XLamp-XM-L的2x2mm2芯片，在3A電流驅(qū)動(dòng)下，亮度達(dá)到1000lm。

　　3、3維垂直結(jié)構(gòu)的直流LED器件

　　2010年7月，Lumileds推出大電流密度的直流LED器件LUXEONRebelES，在1000mA電流下，可提供300流明以上的光通輸出，而光效可達(dá)100流明/瓦，見圖4（摘自“中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)”）。Lumileds按照制造工藝（倒裝）和物理外形（薄膜），將其稱為倒裝薄膜。如果按照電流是否垂直（或接近垂直）流過p-GaN來(lái)定義，可稱其為垂直結(jié)構(gòu)，由于無(wú)需打金線，稱其為3維垂直結(jié)構(gòu)器件。

　　其他的3維垂直結(jié)構(gòu)芯片和器件的結(jié)構(gòu)包括：

　?。╝）QFN類型的3維垂直結(jié)構(gòu)器件（圖5）

圖5：QFN類型的3維垂直結(jié)構(gòu)器件

　　剝離了生長(zhǎng)襯底的LED薄膜的p型限制層鍵合在金屬上（稱為p金屬），n型限制層通過電極與另一金屬（稱為n金屬）電連接，p金屬和n金屬的另一面分別與外界電源相連接，成為SMD器件。其優(yōu)勢(shì)之一是小于1℃/W的熱阻。因此特別適用于大電流密度驅(qū)動(dòng)，解決了芯片和封裝的散熱。

　?。╞）通孔支持襯底類型的3維垂直結(jié)構(gòu)器件（圖6）

圖6：通孔支持襯底類型的3維垂直結(jié)構(gòu)器件

　　剝離了生長(zhǎng)襯底的LED薄膜的p型限制層鍵合在金屬層上（稱為p金屬層），n型限制層通過電極與另一金屬層（稱為n金屬層）電連接，p金屬層和n金屬層通過支持襯底中的通孔與支持襯底的另一面上的金屬層（分別稱為p電極和n電極）形成電連接，成為SMD器件。當(dāng)采用散熱較好的支持襯底時(shí)，解決了芯片和封裝的散熱。

　?。╟）通孔3維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片

圖7：通孔3維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片

　　其結(jié)構(gòu)如圖7所示，半導(dǎo)體外延層的第一類型限制層上的圖形化電極通過外延層中的通孔與第一電極形成電連接，半導(dǎo)體外延層的第二類型限制層鍵合在第二導(dǎo)電支持襯底（例如銅合金）上，從而與第二電極形成電連接，形成無(wú)需打金線的SMD型式的垂直結(jié)構(gòu)芯片。當(dāng)采用散熱較好的導(dǎo)電支持襯底時(shí)，解決了芯片的散熱。

　　（二）高電壓的直流LED芯片

　　1、正裝結(jié)構(gòu)的高電壓LED芯片

　　把一個(gè)芯片的外延層分割成數(shù)個(gè)芯片單元，并把它們串聯(lián)起來(lái)，則構(gòu)成高電壓芯片。

　　2008年，晶元提出制造高電壓直流芯片的方法（圖8），2010年6月，晶元推出正裝結(jié)構(gòu)的高電壓直流芯片，其中紅光芯片HF27A的電壓為34伏，效率達(dá)到128lm/W。白光達(dá)到135lm/W（5000k）。

圖8：高電壓芯片的串聯(lián)的多個(gè)正裝結(jié)構(gòu)芯片單元

　　高電壓直流芯片的結(jié)構(gòu)如下：一個(gè)芯片包括多個(gè)正裝結(jié)構(gòu)的芯片單元，芯片單元之間通過電極形成串聯(lián)形式的電連接。如圖8所示，一個(gè)芯片單元的N電極與相鄰的芯片單元的P電極形成串聯(lián)。一個(gè)芯片上的所有芯片單元形成串聯(lián)的電連接，則構(gòu)成一個(gè)正裝結(jié)構(gòu)的高電壓直流LED芯片。一個(gè)芯片上的芯片單元形成數(shù)個(gè)串聯(lián)的電連接，再形成整流橋式電連接，則構(gòu)成一個(gè)正裝結(jié)構(gòu)的高電壓交流LED芯片。

圖9：高電壓芯片的串聯(lián)的多個(gè)正裝結(jié)構(gòu)芯片單元

　　2008年，Lumileds提出的高電壓直流芯片的結(jié)構(gòu)，如圖9所示。一個(gè)芯片上的所有芯片單元形成串聯(lián)的電連接，則構(gòu)成一個(gè)正裝結(jié)構(gòu)的高電壓直流LED芯片。一個(gè)芯片上的芯片單元形成數(shù)個(gè)串聯(lián)的電連接，再形成整流橋式電連接，則構(gòu)成一個(gè)正裝結(jié)構(gòu)的高電壓交流LED芯片。據(jù)報(bào)道，Lumileds的高電壓直流LED芯片的效率超過100lm/W。

　　對(duì)于藍(lán)寶石襯底的GaN基芯片，由于藍(lán)寶石散熱較差，限制了驅(qū)動(dòng)電流密度。

　　2010年11月，亞威朗光電（中國(guó)）提出45V高電壓正裝結(jié)構(gòu)LED芯片樣品（見圖10）。

　　2、倒裝結(jié)構(gòu)的高電壓LED芯片

　　2010年10月，晶科提出倒裝結(jié)構(gòu)的高電壓LED芯片樣品（見圖11），其優(yōu)勢(shì)是散熱較好。

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　　垂直結(jié)構(gòu)LED芯片采用了散熱較好的支持襯底，散熱優(yōu)良，適于采用大電流密度驅(qū)動(dòng)。據(jù)此，垂直結(jié)構(gòu)和三維垂直結(jié)構(gòu)的高電壓芯片被提出。

　　1、垂直結(jié)構(gòu)的高電壓大電流密度LED芯片

　　2009年Cree提出垂直結(jié)構(gòu)的高壓LED芯片。2010年10月，Cree推出2款高電壓芯片（1）XLampMX-6S：電壓20V，在60mA驅(qū)動(dòng)時(shí)，得到139lm，其驅(qū)動(dòng)電流密度相當(dāng)于35A/cm2；（2）XLampMX-3S：電壓11V，在115mA驅(qū)動(dòng)時(shí)，得到122lm。

圖12：大電流密度的垂直結(jié)構(gòu)高電壓芯片

　　一款適用于大電流密度的垂直結(jié)構(gòu)的高電壓芯片的結(jié)構(gòu)如圖12所示，數(shù)個(gè)LED外延層薄膜110a和110b分別鍵合在互相絕緣的金屬膜102b和102c上，電極107b把外延層110a和110b串聯(lián)，形成高電壓芯片。采用導(dǎo)熱優(yōu)良的支持襯底101a。與Cree的芯片的區(qū)別在于，打線焊盤不在芯片單元上，因此，可以采用較大電流密度驅(qū)動(dòng)，而不會(huì)在打線焊盤附近形成電流擁塞。

　　2、3維垂直結(jié)構(gòu)的高電壓大電流密度LED芯片

　　垂直結(jié)構(gòu)的高電壓芯片的支持襯底采用通孔導(dǎo)電支持襯底，則形成3維垂直結(jié)構(gòu)的高電壓大電流密度LED芯片。在導(dǎo)熱優(yōu)良的支持襯底中的金屬栓把形成在支持襯底兩面的金屬膜電連接，形成SMD型式的無(wú)需打線的高電壓大電流芯片。其優(yōu)勢(shì)在于，散熱優(yōu)良，無(wú)需打金線，適宜采用大電流密度驅(qū)動(dòng)。

三、交流LED芯片

　?。ㄒ唬┱b結(jié)構(gòu)的交流LED