高壓LED基本結構及關(guān)鍵技術(shù)介紹

最近幾年由于技術(shù)及效率的進(jìn)步，led的應用越來(lái)越廣；隨著(zhù)LED應用的升級，市場(chǎng)對于LED的需求，也朝更大功率及更高亮度，也就是通稱(chēng)的高功率LED方向發(fā)展。
　　對于高功率LED的設計，目前各大廠(chǎng)多以大尺寸單顆低壓DC LED為主，做法有二，一為傳統水平結構，另一則為垂直導電結構。就第一種做法而言，其製程和一般小尺寸晶粒幾乎相同，換句話(huà)說(shuō)，兩者的剖面結構是一樣的，但有別于小尺寸晶粒，高功率LED常常需要操作在大電流之下，一點(diǎn)點(diǎn)不平衡的P、N電極設計，都會(huì )導致嚴重的電流叢聚效應(Current crowding)，其結果除了使得LED晶片達不到設計所需的亮度外，也會(huì )損害晶片的可靠度(RELiability)。

　　當然，對上游晶片製造者／晶片廠(chǎng)而言，此作法製程相容性(Compatibility)高，無(wú)需再添購新式或特殊機臺，另一方面，對于下游系統廠(chǎng)而言，週邊的搭配，如電源方面的設計等等，差異并不大。但如前所述，在大尺寸LED上要將電流均勻擴散并不是件容易的事，尺寸愈大愈困難；同時(shí)，由于幾何效應的關(guān)係，大尺寸LED的光萃取效率往往較小尺寸的低。

圖：低壓二極體、交流二極體及高壓二極體驅動(dòng)方式的差異

　　第2種做法較第1種復雜許多，由于目前商品化的藍光LED幾乎都是成長(cháng)于藍寶石基板之上，要改為垂直導電結構，必須先和導電性基板做接合之后，再將不導電的藍寶石基板予以移除，之后再完成后續製程；就電流分布而言，由于在垂直結構中，較不需要考慮橫向傳導，因此電流均勻度較傳統水準結構為佳；除此之外，就基本的物理塬理而言，導電性良好的物質(zhì)也具有高導熱的特質(zhì)，藉由置換基板，我們同時(shí)也改善了散熱，降低了接面溫度，如此一來(lái)便間接提高了發(fā)光效率。但此種做法最大的缺點(diǎn)在于，由于製程復雜度提高，導致良率較傳統水平結構低，製作成本高出不少。

　　高壓發(fā)光二極體(HV LED)基本結構及關(guān)鍵技術(shù)

晶元光電于全球率先提出了高壓發(fā)光二極體(HV LED)作為高功率LED的解決方案；其基本架構和AC LED相同，乃是將晶片面積分割成多個(gè)cell之后串聯(lián)而成。其特色在于，晶片能夠依照不同輸入之電壓的需求而決定其cell數量與大小等，等同于做到客製化的服務(wù)。由于可以針對每顆cell加以?xún)?yōu)化，因此能夠得到較佳的電流分布，進(jìn)而提高發(fā)光效率。

　　高壓發(fā)光二極體和一般低壓二極體在技術(shù)上最主要的差異有叁，第一為溝槽(Trench)。溝槽的目的在于將復數顆的晶胞獨立開(kāi)來(lái)，因此其溝槽下方需要達到絕緣的基板，其深度依不同的外延結構而異，一般約在4~8um，溝槽寬度方面則無(wú)一定的限制，但是溝槽太寬代表著(zhù)有效發(fā)光區域的減少，將影響HV LED的發(fā)光效率表現，因此需要開(kāi)發(fā)高深寬比的製程技術(shù)，縮小製程線(xiàn)寬以增加發(fā)光效率。

　　第二為絕緣層(Isolation)，若絕緣層不具備良好的絕緣特性，將使整個(gè)設計失敗，其困難點(diǎn)在于必須在高深寬比的溝槽上披覆包覆性良好、膜質(zhì)緊密及絕緣性佳的膜層，這也是單晶AC LED製程上的關(guān)鍵。

　　第三個(gè)是晶片間的互連導線(xiàn)(Interconnect)。一般而言，要做到良好的連結，導線(xiàn)在跨接時(shí)需要一個(gè)相對平坦的表面，一個(gè)深邃的階梯狀結構將使得導線(xiàn)結構薄弱，在高電壓、高電流驅動(dòng)下易產(chǎn)生毀損，造成晶片的失效，因此平坦化製程的開(kāi)發(fā)就變得重要。理想的狀態(tài)是在做絕緣層時(shí)，能一併將深邃的溝槽予以平坦化，使互連導線(xiàn)得以平順連接。

　　此外，高壓發(fā)光二極體在應用上和一般低壓二極體最主要的不同點(diǎn)為，它不僅僅能夠應用于定直流(Constant DC)中，只要外接橋式整流器，它也能夠應用于交流環(huán)境，非常具有彈性。在高壓發(fā)光二極體中，外部整流器捨棄AC LED採用同質(zhì)氮化鎵的做法而改採用硅整流器，不僅使得耗能少，更可防止逆向偏壓過(guò)大對晶片所造成的影響；最后，因為高壓發(fā)光二極體較AC LED少了內部橋整的發(fā)光區，使發(fā)光效率相對較高，耐用度也較佳。

　　作為大尺寸、高功率LED的解決方案

　　高壓發(fā)光二極體的效率優(yōu)于一般傳統低壓發(fā)光二極體，主要可歸因為小電流、多cell的設計能均勻地將電流擴散開(kāi)來(lái)，進(jìn)而提升光萃取效率。在一些應用當中，除了需要考慮晶片本身效率外，最終產(chǎn)品的售價(jià)也是一項重要指標；例如在當前照明領(lǐng)域中，LED燈源仍不被視為主流性產(chǎn)品，關(guān)鍵點(diǎn)在于其售價(jià)仍舊偏高。LED燈源價(jià)格高昂的塬因，除了晶片本身的價(jià)格之外，尚需要考慮整體的物料清單(Bill of material；BOM)，例如由于發(fā)光二極體本質(zhì)上為一具有極性的元件，必須供給一順向偏壓才得以點(diǎn)亮，因此一般LED照明光源內都必須附加交流轉直流(AC/DC)的電源轉換系統，這是必須付出的成本。

　　又因LED本身體積小，熱源容易集中，而造成所謂熱點(diǎn)(Hot spot)現象，使得發(fā)光元件本身壽命變短。為了解決熱點(diǎn)的問(wèn)題，LED燈源上的散熱設計也不可缺少，目前散熱設計方面以金屬散熱片最為常見(jiàn)，但金屬散熱片除了增加燈源的重量，也增加燈源的成本。由于高壓發(fā)光二極體本身效率高，會(huì )減少廢熱及對散熱的需求，進(jìn)而削減成本；從電源轉換的角度而言，高電壓小瓦數的電源轉換器如返馳拓僕式電路，除了體積小外，因為採用的元件少，成本也較低。因此，高壓發(fā)光二極體的優(yōu)點(diǎn)不僅在于晶片本身，它能直接或間接進(jìn)一步提升整體模組的效率。

總括而言，在應用及設計上，單晶片的高壓發(fā)光二極體有下列好處：

　　1、節省變壓器能量轉換的損耗及降低成本。

　　2、除了高電壓直流的應用外，利用外部橋式整流電路也可設計于交流下操作。

　　3、體積小不佔空間，對封裝及光學(xué)設計都具有極佳的運用彈性。

　　4、除了紅色螢光粉外，也可以運用藍、紅HV LED搭配適當的黃、綠色螢光粉製成更高效率的高CRI暖白LED。

　　目前在晶元光電中，會(huì )首先依據客戶(hù)的各項參數需求，做設計準則的基本檢查；進(jìn)一步根據相關(guān)的光、電及熱模型執行模擬，決定單位晶胞的大小、數目及最終產(chǎn)品呈現形式后，再加以實(shí)踐驗證；并根據實(shí)踐所收集到的資料，驗證塬始設計，或是加以修改達到優(yōu)化的結果。目前晶元光電研發(fā)中心已經(jīng)著(zhù)手進(jìn)行高壓發(fā)光二極體相關(guān)模擬光、電及熱模型的建立。