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(kāi)發(fā)和生產(chǎn)小芯片著(zhù)稱(chēng)的日亞（Nichia）公司宣布：在實(shí)驗室中，1x1mm2正裝結構的大電流密度LED芯片，在1000mA電流驅動(dòng)時(shí)，效率達到135lm/W（4700k）。（摘自“中國半導體照明網(wǎng)”）

　　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(jìn)電學(xué)設計去降低電壓、采用圖形藍寶石生長(cháng)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(jiàn)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(shí)，需要防止電流從打線(xiàn)焊盤(pán)直接向下經(jīng)過(guò)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(chǎn)品：XLamp-XP-G，在1500mA電流驅動(dòng)下，得到460lm的光通量，相當于4個(gè)Cree的XLampXR-E（摘自“中國半導體照明網(wǎng)”）。

　　在向芯片輸入大電流時(shí)，需要防止電流從打線(xiàn)焊盤(pán)直接流向N-GaN外延層，造成局部電流擁塞。解決方法的專(zhuān)利技術(shù)之一是，打線(xiàn)焊盤(pán)形成在絕緣層上，見(jiàn)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電流驅動(dòng)時(shí)得到830lm，見(jiàn)圖3（摘自“中國半導體照明網(wǎng)”）。

　　Osram按照在大電流密度時(shí)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(huà)，便可減少俄歇復合的發(fā)生，通過(guò)加厚活性層，降低了載流子密度?；钚詫硬⒎呛?jiǎn)單加厚，而是對摻雜量等進(jìn)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(gè)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(guò)金線(xiàn)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(dòng)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(jiàn)圖4（摘自“中國半導體照明網(wǎng)”）。Lumileds按照制造工藝（倒裝）和物理外形（薄膜），將其稱(chēng)為倒裝薄膜。如果按照電流是否垂直（或接近垂直）流過(guò)p-GaN來(lái)定義，可稱(chēng)其為垂直結構，由于無(wú)需打金線(xiàn)，稱(chēng)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(lèi)型的3維垂直結構器件（圖5）

圖5：QFN類(lèi)型的3維垂直結構器件

　　剝離了生長(cháng)襯底的LED薄膜的p型限制層鍵合在金屬上（稱(chēng)為p金屬），n型限制層通過(guò)電極與另一金屬（稱(chēng)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(dòng)，解決了芯片和封裝的散熱。

　?。╞）通孔支持襯底類(lèi)型的3維垂直結構器件（圖6）

圖6：通孔支持襯底類(lèi)型的3維垂直結構器件

　　剝離了生長(cháng)襯底的LED薄膜的p型限制層鍵合在金屬層上（稱(chēng)為p金屬層），n型限制層通過(guò)電極與另一金屬層（稱(chēng)為n金屬層）電連接，p金屬層和n金屬層通過(guò)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(chēng)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(shí)，解決了芯片和封裝的散熱。

　?。╟）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(lèi)型限制層上的圖形化電極通過(guò)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(lèi)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(wú)需打金線(xiàn)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(shí)，解決了芯片的散熱。

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　　1、正裝結構的高電壓LED芯片

　　把一個(gè)芯片的外延層分割成數個(gè)芯片單元，并把它們串聯(lián)起來(lái)，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(gè)正裝結構芯片單元

　　高電壓直流芯片的結構如下：一個(gè)芯片包括多個(gè)正裝結構的芯片單元，芯片單元之間通過(guò)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，則構成一個(gè)正裝結構的高電壓直流LED芯片。一個(gè)芯片上的芯片單元形成數個(gè)串聯(lián)的電連接，再形成整流橋式電連接，則構成一個(gè)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(gè)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(gè)芯片上的所有芯片單元形成串聯(lián)的電連接，則構成一個(gè)正裝結構的高電壓直流LED芯片。一個(gè)芯片上的芯片單元形成數個(gè)串聯(lián)的電連接，再形成整流橋式電連接，則構成一個(gè)正裝結構的高電壓交流LED芯片。據報道，Lumileds的高電壓直流LED芯片的效率超過(guò)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(dòng)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(jiàn)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(jiàn)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(dòng)。據此，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(dòng)時(shí)，得到139lm，其驅動(dòng)電流密度相當于35A/cm2；（2）XLampMX-3S：電壓11V，在115mA驅動(dòng)時(shí)，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。采用導熱優(yōu)良的支持襯底101a。與Cree的芯片的區別在于，打線(xiàn)焊盤(pán)不在芯片單元上，因此，可以采用較大電流密度驅動(dòng)，而不會(huì )在打線(xiàn)焊盤(pán)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(wú)需打線(xiàn)的高電壓大電流芯片。其優(yōu)勢在于，散熱優(yōu)良，無(wú)需打金線(xiàn)，適宜采用大電流密度驅動(dòng)。

三、交流LED芯片

　?。ㄒ唬┱b結構的交流LED