高壓發光二極管的研制及產業化應用

鄭建森

廈門市三安光電科技有限公司，福建廈門 361009

0 引言

發光二極管是利用半導體的P-N 結電致發光原理制成的半導體發光器件，具有無污染、亮度高、功耗小、壽命長、工作電壓低、易小型化等優點。隨著研究不斷深入，其發光亮度也不斷提高，應用領域也越來越廣[1]。近年來，隨著 LED 在材料選取、晶粒制程、封裝架構設計技術等方面的研究不斷進步，新型的高壓發光二極管（HV-LED）技術應運而生，有利推動了 LED 照明技術的實用化[2]。

目前，Cree 仍是照明LED 技術領導者，并已推出160lm/W 產品，但價格相對偏高。歐司朗、日亞、晶電、璨圓也先后推出發光效率分別達136lm/W 、133lm/W、110lm/W 和100lm/W 的高壓HV-LED 芯片。此外，武漢迪源也研發出高壓芯片，并實現量產。

1 新型HV-LED 與傳統DC-LED 的特點對比

傳統DC-LED 芯片是在大電流低電壓下工作，為提升使用電壓，一般在封裝端采用多顆芯片串并聯，而新型HV-LED直接在芯片端便實現了晶粒間的串并聯，使其在低電流高電壓下工作，大大減少了芯片固晶、鍵合數量，封裝成本降低。

HV-LED 芯片是在單位面積內形成多顆微晶粒集成，而COB 是采用若干個HV-LED 芯片集成，避免各芯片間同波段內如波長、電壓、亮度跨度帶來的一致性問題； HV-LED 芯片自身工作電壓高，易通過串并聯實現封裝成品工作電壓接近市電，提高驅動電源的轉換效率；由于工作電流低，線路損耗也將明顯低于傳統的 DC 功率LED 芯片。

2 HV-LED 的工藝技術關鍵點

集成式HV-LED 與傳統DC-LED 的制作工藝比較相似，區別是需外加三步關鍵工藝，其中每步工藝都對器件的光電特性、良品率等有重要影響。

1）蝕刻隔離溝槽。隔離目的在于將晶片上每個單元內的若干顆的晶胞獨立開來，實現電學隔開，因此隔離溝槽需要足夠地深，直至絕緣襯底，其深度一般在5um～10um，隔離溝槽寬度則無固定限制，但隔離溝槽太寬代表著有效發光區域的減少，會降低光效，因此需要開發高深寬比的制程技術，縮小制程線寬以增加發光效率；

2）沉積絕緣層，若絕緣層不具備良好的絕緣特性，將使整個設計失敗，其難點在于必須在高深寬比的溝槽上披覆包覆性良好、膜質緊密及絕緣性佳的膜層，即所選的膜層材料除了要有非常好的絕緣性能，也需要有非常好的階梯覆蓋保形能力，讓晶片每個單元的側壁上都能沉積優質均勻的薄膜；

3）晶片間金屬導線互聯。良好的連接是導線在跨接時需要相對平坦的表面，深邃的階梯狀結構將使得導線結構薄弱，在高電壓、高電流驅動下易產生毀損，造成晶片失效，因此平坦化制程的開發非常重要。理想狀態是在做絕緣層時，能同時將深邃的溝槽予以平坦化，使互連導線得以平順連接，如圖1所示。

圖1 HV-LED 晶片間的金屬導線互聯SEM 圖

3 HV-LED 芯片的制作與應用

GaN 基藍光LED 電壓在3.0V～3.2V，HV-LED 主要用于封裝成球泡燈、射燈、落地面板燈等。以5W 球泡燈為例，介紹HV-LED 的制作與應用。為了球泡燈能在家用電壓下正常工作，同時考慮實際應用中串入恒流IC 以及兼顧性能、良率、成本等因素，將23*45mil 芯片設計成單顆18V 的HV-LED，單顆芯片上需要形成6 顆獨立且串聯在一起的微晶粒組，簡稱HV-6。23*45mil HV-LED 的電流驅動設定為20mA，單顆HVLED 的電功率消耗估算值約為0.36W，為了制作5W 球泡燈，采用15 串HV-6 串聯，并接入簡單的驅動電路以實現 HVLED 在AC220V 下正常工作。

圖2 為集成式HV-LED 芯片在20mA 電流下的光場分布圖，可以看出，點亮后芯片表面無明顯暗區，這說明每顆微晶粒都是正常工作的，電流的分布大致均勻，具有良好的電流擴展性。

圖2 HV-LED 的光場分布圖

為比較HV-LED 與傳統DC-LED 光電特性，同時設計并制作10*23mil DC-LED 芯片，其外延片選用和HV-LED 同爐同圈，芯片工藝流程一致，驅動電流是20mA，工作電壓約為3.1V，對應的電功率消耗約為0.062W，采用90 顆10*23mil DC-LED 芯片以COB 封裝形式用于5W 球泡燈，這樣保證90顆傳統10*23mil DC-LED 芯片與15 顆23*45mil HV-LED 的電功率消耗相當。

采用LED 光色電測試系統對5W 球泡燈（測試電流為20mA）進行測試，結果如表1 所示。

表1 HV-LED 與常規DC-LED用于封5W 球泡燈的光電特性比較表

從表1 看出，23*45mil HV-LED 的芯片光效平均值約為115lm/W，較傳統10*23mil DC-LED 高出約8%，這說明HVLED 結構較DC-LED 光效萃取地更多，更適合用于封球泡燈。

4 結論

本文通過對圖形化藍寶石襯底外延生長、芯片晶粒間隔離及晶粒間金屬互聯等多種工藝技術的優化，成功開發出集成式高壓氮化鎵基發光二極管，其產業化光效超過110lm/W；20mA 下光場分布圖，顯現出良好的電流擴展性；與傳統DCLED 相比，封5W 球泡燈時，HV-LED 芯片光效超過115lm/W，高出約8%，達到同類產品先進水平。三安光電已開發系列化高壓HV-LED，主要有HV-4、HV-6、HV-15 等多種尺寸不同電壓的芯片產品，并實現客制化。

[1]羅毅，張賢鵬，韓彥軍，等.半導體照明關鍵技術研究[J].激光與光電子學進展，2007，44(3)：17-28.

[2]Zhou S J，Cao B，Liu S.Optimized ICP etching process for fabrication of oblique GaN sidewall and its application in LED[J].Appl.Phys.A-Mater.，2011，105(2)：369-377.