垂直結構LED——半導體照明發(fā)展的趨勢

　　1、引言

　　目前，全球已步入“節能時(shí)代”，各國都在積極尋找節能環(huán)保的新興產(chǎn)業(yè)，照明消耗的能源占全部能源消耗的20%以上，因此，降低照明用電是節省電力的重要途徑。LED節能燈是新一代固體冷光源，具有低能耗、壽命長(cháng)、易控制、安全環(huán)保等特點(diǎn)，是理想的節能環(huán)保產(chǎn)品，適用各種照明場(chǎng)所。然而，目前LED還未大規模進(jìn)入普通照明，其主要原因之一是由于LED的性?xún)r(jià)比（lm/$）太低，市場(chǎng)需要快速提高LED性?xún)r(jià)比的方案。提高LED性?xún)r(jià)比的途徑主要有兩條，一是提高LED的發(fā)光效率，二是降低LED的生產(chǎn)成本。但是，效率的提升以及成本的下降的速度，還是達不到市場(chǎng)對LED性?xún)r(jià)比的期待。然而垂直結構LED能夠保證在一定的發(fā)光效率的前提下，采用較大的電流去驅動(dòng)，這樣一個(gè)垂直結構LED芯片可以相當于幾個(gè)正裝結構芯片，折合成本只有正裝結構的幾分之一。因此，垂直結構LED必然會(huì )加速LED應用于普通照明領(lǐng)域的進(jìn)程，是市場(chǎng)所向，是半導體照明發(fā)展的必然趨勢。

　　2、GaN基垂直結構LED的優(yōu)勢

　　從LED的結構上講，可以將GaN基LED劃分為正裝結構、倒裝結構和垂直結構。目前比較成熟的III族氮化物多采用藍寶石材料作為襯底，由于藍寶石襯底的絕緣性，所以普通的GaN 基LED 采用正裝結構。正裝結構示意圖如圖1所示，有源區發(fā)出的光經(jīng)由P 型GaN區和透明電極出射。該結構簡(jiǎn)單，制作工藝相對成熟。然而正裝結構LED有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)，首先正裝結構LED p、n 電極在LED 的同一側，電流須橫向流過(guò)n-GaN 層，導致電流擁擠，局部發(fā)熱量高，限制了驅動(dòng)電流；其次，由于藍寶石襯底的導熱性差（35Ｗ/(m?K)），嚴重的阻礙了熱量的散失。

　　為了解決散熱問(wèn)題，美國Lumileds Lighting 公司發(fā)明了倒裝芯片（Flipchip）技術(shù)。其結構示意圖如圖2所示，這種方法首先制備具有適合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同時(shí)制備相應尺寸的硅底板，并在其上制作共晶焊接電極的金導電層和引出導電層（超聲波金絲球焊點(diǎn)）。然后，利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片與硅底板焊在一起。到裝結構在散熱效果上有了很大的改善，但是通常的GaN基到裝結構LED仍然是橫向結構，電流擁擠的現象還是存在，仍然限制了驅動(dòng)電流的進(jìn)一步提升。

　　垂直結構可以有效解決正裝結構LED的兩個(gè)問(wèn)題，垂直結構GaN基LED采用高熱導率的襯底（Si、Ge以及Cu等襯底）取代藍寶石襯底，在很大程度上提高了散熱效率；垂直結構的LED芯片的兩個(gè)電極分別在LED外延層的兩側，通過(guò)圖形化的n電極，使得電流幾乎全部垂直流過(guò)LED外延層，橫向流動(dòng)的電流極少，可以避免正裝結構的電流擁擠問(wèn)題，提高發(fā)光效率，同時(shí)也解決了P極的遮光問(wèn)題，提升LED的發(fā)光面積。

　　3、垂直結構LED的制作方法

　　GaN基垂直結構LED工藝與正裝結構LED工藝的最大差異在于，垂直結構LED需要引入襯底轉移技術(shù)。所謂襯底轉移技術(shù)是指用高熱導率與高電導率的新襯底取代原有的生長(cháng)襯底。具體的步驟分為兩步，首先采用晶片鍵合的方法或者電鍍的方法將新襯底與外延片粘合在一起，然后再利用激光剝離、研磨以及濕法腐蝕等方法將原生長(cháng)襯底去掉。

　　4、GaN基垂直結構LED的發(fā)展狀況

　　當前全球幾大LED廠(chǎng)商，比如，美國Cree公司、德國Osram公司、美國Philips Lumileds公司、美國SemiLEDs都擁有自己GaN基垂直結構LED產(chǎn)品。此外，日本、韓國、臺灣以及國內各大LED廠(chǎng)商都在積極開(kāi)發(fā)GaN基垂直結構LED芯片工藝。

　　4.1國外GaN基垂直結構發(fā)展狀況

　　美國Cree公司是目前世界上采用SiC作為襯底材料制造藍光發(fā)光二極管用外延片和芯片的專(zhuān)業(yè)公司之一，該公司采用襯底轉移技術(shù)將發(fā)光層轉移在Si襯底上，有效地解決了芯片的散熱問(wèn)題和提高出光效率的問(wèn)題。2006 年8 月，該公司推出EZBright 大功率LED 芯片，該芯片結構示意圖如圖6 所示。在350mA 電流下，該芯片的光功率可達到370mW。Cree公司的功率LED芯片產(chǎn)品EZ系列采用薄膜芯片技術(shù)已經(jīng)達到業(yè)界領(lǐng)先的光效水平，據2011年5月的報道顯示，Cree的白光LED器件研發(fā)水平已經(jīng)達到231 lm/W，這是功率型白光LED有報道以來(lái)的最好成績(jì)。

　　2007 年初，Lumileds 公司推出了薄膜倒裝（TFFC）LED 產(chǎn)品，實(shí)際上薄膜倒裝結構也是垂直結構LED的一種。由于技術(shù)的進(jìn)步，使該產(chǎn)品可在任何環(huán)境中都能表現出最佳性能。使用TFFC技術(shù)的Luxeon K2 是專(zhuān)門(mén)為在1000mA 電流下工作而進(jìn)行設計、分檔和檢測的LED。封裝后LED 的熱阻僅為5.5℃/W，熱阻的降低使LED 可在更高電流下工作，降低了熱量管理設計的投入和成本。經(jīng)分檔和測試的產(chǎn)品（光輸出最小為160lm，1A 驅動(dòng)電流）其光輸出在更高驅動(dòng)電流下很容易就超過(guò)了220lm。

　　德國Osram公司對比了四種結構的GaN基LED的光提取效率，其中“ThinGaN”芯片實(shí)際上就是垂直結構LED。該公司采用晶片鍵合與剝離技術(shù)將LED發(fā)光層轉移到新襯底（GaAs襯底或Ge襯底）上。從圖8可以看到，采“ThinGaN”芯片光提取效率最高達到75%，這說(shuō)明薄膜結構LED 在光提取方面具有很大的優(yōu)勢。在產(chǎn)品方面，該公司于2007年開(kāi)始銷(xiāo)售可發(fā)出1000lm 光通量的白色LED“OSTAR Lighting”的最新版。該產(chǎn)品在輸入功率為27W（工作電流700mA）時(shí)，可得到1000lm 的光通量，此時(shí)的發(fā)光效率約為37lm/W。把工作電流減小至350mA 時(shí)，發(fā)光效率可提高至75lm/W。以往的OSTAR Lighting 的光通量在27W 輸入功率時(shí)約為600lm。此外，該公司還推出“Diamond DRAGON” 白色LED，該產(chǎn)品在工作電流為1.4A 時(shí)，可獲得250lm的光通量，產(chǎn)品壽命為5萬(wàn)小時(shí)以上。

　　美國SemiLEDs 公司成立于2004 年，是繼Osram和Cree之后，采用襯底轉移技術(shù)商品化生產(chǎn)GaN基垂直結構LED的廠(chǎng)商。該公司首先推出金屬Cu 基底的GaN基LED。

　　4.2國內GaN基垂直結構發(fā)展狀況

　　國內北京大學(xué)最早開(kāi)展GaN基垂直結構的研發(fā)，此后從研究機構到各大LED公司都陸續開(kāi)展此方面的研發(fā)工作。同方光電于2008年開(kāi)始涉足垂直結構LED的研發(fā)，經(jīng)過(guò)兩年多的努力，已經(jīng)積累了一套Cu襯底電鍍、整平以及藍寶石剝離的完整技術(shù)。目前制作的垂直結構LED芯片，封裝白光后效率可達到100lm/W以上。LED行業(yè)在經(jīng)歷了“337調查案”之后，專(zhuān)利也將成為競爭的焦點(diǎn)。目前，同方光電擁有垂直結構芯片制造專(zhuān)利10多項，已經(jīng)有三項獲得國家知識產(chǎn)權局授權，兩項獲得臺灣專(zhuān)利局授權，一項獲得美國專(zhuān)利局授權，為開(kāi)展垂直結構的研發(fā)與生產(chǎn)奠定了良好基礎。

　　5、結語(yǔ)

　　垂直結構LED憑借它適宜在大驅動(dòng)電流下工作而獲得高流明輸出功率的優(yōu)勢，從而可獲得高的性?xún)r(jià)比。因此，GaN基垂直結構LED是市場(chǎng)所向，是半導體照明發(fā)展的必然趨勢，必將逐步成為主流產(chǎn)品。當前，幾家國際大廠(chǎng)已實(shí)現量產(chǎn)，國內各廠(chǎng)雖然都紛紛開(kāi)展研發(fā)工作，但是還沒(méi)一家達到真正的量產(chǎn)水平。同方光電目前生產(chǎn)的垂直結構芯片，封裝后其發(fā)光效率可達100lm/W以上。