用于通用照明的大電流密度的高電壓交/直流LED芯片

　　1、正裝結構的大電流密度的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)和生產小芯片著稱的日亞（Nichia）公司宣布：在實驗室中，1x1mm2正裝結構的大電流密度LED芯片，在1000mA電流驅動時，效率達到135lm/W（4700k）。（摘自“中國半導體照明網”）

　　Nichia的正裝結構的大電流LED芯片的主要的特征是：優(yōu)化外延層設計、改進電學設計去降低電壓、采用圖形藍寶石生長襯底、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。

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

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

　　2、垂直結構的大電流密度的LED芯片

　　2010年3月，科銳（Cree）推出大電流密度的直流LED芯片產品：XLamp-XP-G，在1500mA電流驅動下，得到460lm的光通量，相當于4個Cree的XLampXR-E（摘自“中國半導體照明網”）。

　　在向芯片輸入大電流時，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芯片產品：UX-3，在3000mA電流驅動時得到830lm，見圖3（摘自“中國半導體照明網”）。

　　Osram按照在大電流密度時效率下降的俄歇復合的理論設計外延層結構，由于俄歇復合的發(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呛唵渭雍瘢菍诫s量等進行了優(yōu)化。另外，其芯片結構的設計與Lumileds的芯片基本相同：多個通孔中的導電栓把n型限制層與導電支持襯底電連接；這種結構使得電壓均勻加到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推出型號為XLamp-XM-L的2x2mm2芯片，在3A電流驅動下，亮度達到1000lm。

　　3、3維垂直結構的直流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100流明/瓦，見圖4（摘自“中國半導體照明網”）。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來定義，可稱其為垂直結構，由于無需打金線，稱其為3維垂直結構器件。

　　其他的3維垂直結構芯片和器件的結構包括：

　?。╝）QFN類型的3維垂直結構器件（圖5）

圖5：QFN類型的3維垂直結構器件

　　剝離了生長襯底的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)勢之一是小于1℃/W的熱阻。因此特別適用于大電流密度驅動，解決了芯片和封裝的散熱。

　?。╞）通孔支持襯底類型的3維垂直結構器件（圖6）

圖6：通孔支持襯底類型的3維垂直結構器件

　　剝離了生長襯底的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。當采用散熱較好的支持襯底時，解決了芯片和封裝的散熱。

　　（c）通孔3維垂直結構LED芯片

圖7：通孔3維垂直結構LED芯片

　　其結構如圖7所示，半導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，半導體外延層的第二類型限制層鍵合在第二導電支持襯底（例如銅合金）上，從而與第二電極形成電連接，形成無需打金線的SMD型式的垂直結構芯片。當采用散熱較好的導電支持襯底時，解決了芯片的散熱。

　　（二）高電壓的直流LED芯片

　　1、正裝結構的高電壓LED芯片

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

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

圖8：高電壓芯片的串聯(lián)的多個正裝結構芯片單元

　　高電壓直流芯片的結構如下：一個芯片包括多個正裝結構的芯片單元，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)。一個芯片上的所有芯片單元形成串聯(lián)的電連接，則構成一個正裝結構的高電壓直流LED芯片。一個芯片上的芯片單元形成數(shù)個串聯(lián)的電連接，再形成整流橋式電連接，則構成一個正裝結構的高電壓交流LED芯片。

圖9：高電壓芯片的串聯(lián)的多個正裝結構芯片單元

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

　　對于藍寶石襯底的GaN基芯片，由于藍寶石散熱較差，限制了驅動電流密度。

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

　　2、倒裝結構的高電壓LED芯片

　　2010年10月，晶科提出倒裝結構的高電壓LED芯片樣品（見圖11），其優(yōu)勢是散熱較好。

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　　垂直結構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動。據(jù)此，垂直結構和三維垂直結構的高電壓芯片被提出。

　　1、垂直結構的高電壓大電流密度LED芯片

　　2009年Cree提出垂直結構的高壓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驅動時，得到139lm，其驅動電流密度相當于35A/cm2；（2）XLampMX-3S：電壓11V，在115mA驅動時，得到122lm。

圖12：大電流密度的垂直結構高電壓芯片

　　一款適用于大電流密度的垂直結構的高電壓芯片的結構如圖12所示，數(shù)個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動，而不會在打線焊盤附近形成電流擁塞。

　　2、3維垂直結構的高電壓大電流密度LED芯片

　　垂直結構的高電壓芯片的支持襯底采用通孔導電支持襯底，則形成3維垂直結構的高電壓大電流密度LED芯片。在導熱優(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型式的無需打線的高電壓大電流芯片。其優(yōu)勢在于，散熱優(yōu)良，無需打金線，適宜采用大電流密度驅動。

三、交流LED芯片

　?。ㄒ唬┱b結構的交流LED