GaN基高壓LED芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備_圖文

1、L 碩士學(xué)位論文GaN 基高壓LED 芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備作者姓名 鐘炯生 學(xué)科專(zhuān)業(yè) 光學(xué) 指導(dǎo)教師王洪教授黃華茂博士所在學(xué)院 理學(xué)院 論文提交日期2013年5月GaN-based high-voltage LED chip structure designand preparationA Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate ：Zhong Jiongsheng Supervisor ：Prof. Wang HongSouth China University of TechnologyGuangzhou, China*

2、This work was supported by the Key technologies R&D Program of Guangdong Province (2009A080301013, 2010A080402009, the Strategic Engineering Industry Special Funds of Guangdong Province (2010A081002009, 2011A081301004，2012A080302003, and the Key Technologies R&D Program of Guangzhou City (01

3、0U1-D00221,2011Y5 -00006. I摘 要發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED ）由于擁有高光效、低耗能、長(zhǎng)壽命、無(wú)毒綠色等優(yōu)點(diǎn)正逐步成為傳統(tǒng)照明市場(chǎng)的主流照明光源，在景觀照明、道路照明、室內(nèi)照明等領(lǐng)域得到愈來(lái)愈多的應(yīng)用。近幾年，高壓LED （High-V oltage LED）方面研究的興起，意味著傳統(tǒng)小電壓LED 芯片已經(jīng)不足以滿足人們?cè)诋a(chǎn)品驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上的需求。同時(shí)，高壓LED 芯片，解決了才傳統(tǒng)LED 芯片多晶封裝中存在的可靠性問(wèn)題，并以其小電流驅(qū)動(dòng)、簡(jiǎn)潔的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)逐漸進(jìn)入照明應(yīng)用研發(fā)人員的視線。本課題使用目前主流的LED 芯片制備工

4、藝和制備技術(shù)，對(duì)高壓LED 芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了基礎(chǔ)性的研究。針對(duì)高壓LED 芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中電極連接橋鋪設(shè)時(shí)，容易出現(xiàn)斷橋、漏電等問(wèn)題優(yōu)化芯粒間連接橋結(jié)構(gòu)。使用電感耦合等離子體（ICP ）刻蝕機(jī)，調(diào)整刻蝕參數(shù)，在沒(méi)有BCl 3的條件下，刻蝕芯粒隔離槽的同時(shí)，將芯?？涛g出正梯形結(jié)構(gòu)。正梯形底角平均角度為70.2°，使得鋪設(shè)電極連接橋時(shí)，電極可以沿著芯粒邊緣的梯形結(jié)構(gòu)到達(dá)隔離槽底部，再?gòu)母綦x槽底部上升到另一個(gè)芯粒的電極上，增強(qiáng)了電極穩(wěn)定性，有效防止漏電情況的出現(xiàn)，優(yōu)化生產(chǎn)良率。針對(duì)LED 芯片側(cè)面內(nèi)全反射引起的光吸收效應(yīng)，制備一種帶側(cè)面波浪形微結(jié)構(gòu)的高壓LED 芯片。在不增加制備流程的

5、情況下，制備出相應(yīng)的高壓LED 芯片，并進(jìn)行白光封裝以及隨機(jī)選片光電測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，燈珠的顯色指數(shù)封裝后測(cè)試結(jié)果平均值超過(guò)82，而最高光效達(dá)到101.7lm/W。封裝出較高的顯色指數(shù)會(huì)在一定程度上降低出光效率和光輸出功率。在改進(jìn)封裝工藝后，光效可以得到一定程度的提高。關(guān)鍵詞：HVLED ；高壓LED 芯片；電極連接橋；正梯形結(jié)構(gòu)AbstractLight-emitting diodes with the advantages of high light efficiency, low energy consumption, long life, non-toxic green gradua

6、lly become the mainstream lighting source in lighting market. They have been used to landscape lighting, road lighting, indoor lighting and other fields more and more frequently. In recent years, the rising of the high-voltage LED, means that the traditional low voltage LED chip has been insufficien

7、t to meet the needs of the people in the design of the driving circuit. With its small current driving, high-voltage and simple driving circuit designing, HV-LED comes into the line of sight of lighting applications R&D personnel gradually. This subject used the current mainstream LED chip prepa

8、ration processes and preparation technologies to do some basic researches in high-voltage LED chip structure designing.Bridge structure was optimized for high-voltage LED chip structure to solve the problem of electrode connecting bridge laying prone bridge, drain while connected to the core particl

9、es. Using inductively coupled plasma (ICP etching machine, adjusting the etching parameters, under in no BCl3 conditions, while etching isolation trench of chip cells, the chip cells were etched as positive ladder structure. Trapezoid base average angle was 70.2 degrees, so that while the laying of

10、the electrode connecting bridge, the electrodes may reach the bottom of the isolation trench along the edge of the trapezoidal structure of the chip cells, and then rises from the bottom of the isolation trench to another chip cells on the electrode, which enhances the electrode stability, effective

11、ly prevents leakages from happening, also optimizes the yield rate.We studied on the side wavy microstructures on the preparation of high-voltage LED chips. We fabricated the corresponding samples and conducted a random selection of films to do optical tests. The test result showed that, the LED col

12、or rendering indexes of the samples were high, with an average over 82. Generally, higher CRI would reduce the light extraction efficiency and light output efficiency of LED chips. In improving the packaging process, using the appropriate package technologies for HVLED, the luminous efficiency could

13、 beimproved to some extent.Keywords : HV-LED; the electrode connecting bridge; trapezoid structure;目 錄摘 要 . . I Abstract . II第一章 緒論 . . 11.1 高壓LED 的研究背景及意義 . 11.2 高壓LED 概述 . 21.2.1 直流高壓LED . 21.2.2 交流高壓LED . 51.3 高壓LED 芯片的研究現(xiàn)狀 . 71.3.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . . 71.3.2 提高LED 芯片發(fā)光效率的主要技術(shù) . 81.4 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 . . 12第二章

14、 高壓LED 芯片制備的工藝技術(shù) . 132.1 直流高壓LED 芯片的制備流程圖 . 132.1.1 五步光刻法對(duì)應(yīng)的芯片側(cè)視示意圖 . . 132.2 外延片的清洗工藝 . . 152.2.1 酸類(lèi)溶液的清洗工藝 . . 152.2.2 有機(jī)溶液清洗工藝 . . 162.2.3 QDR清洗工藝 . 162.2.4 Plasma清洗工藝 . 172.2.5 各步工藝的清洗流程 . . 172.3 光刻工藝 . . 192.3.1 光刻工藝的基本原理和流程 . . 192.3.2 芯片制程中使用的具體光刻工藝 . . 212.4 薄膜沉積 . . 252.4.1 PECVD沉積薄膜的原理 .

15、. 252.4.2 PECVD參數(shù)對(duì)SiO 2薄膜沉積的影響 . 262.5 刻蝕工藝 . . 272.5.1 濕法刻蝕 . . 272.5.2 干法刻蝕 . . 282.6 本章小結(jié) . . 29第三章 高壓LED 芯片梯形隔離槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) . 303.1 設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)方法 . . 303.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理 . . 303.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法 . . 303.2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析 . . 313.3 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案 . . 343.3.1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案的具體實(shí)施 . . 343.3.2 光刻膠邊緣成型角度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 . . 353.3.3 改進(jìn)方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 . .

16、 383.4 本章小結(jié) . . 39第四章 側(cè)面波浪形微結(jié)構(gòu)高壓LED 芯片的制備 . 404.1 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理 . . 404.2 高壓LED 芯片的制備 . 404.3 芯片光電測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析 . . 424.4 本章小結(jié) . . 44總結(jié)與展望 . . 45課題總結(jié) . . 45工作展望 . . 46參考文獻(xiàn) . . 47攻讀博士/碩士學(xué)位期間取得的研究成果 . . 50致 謝 . . 51第一章 緒論第一章 緒論1.1 高壓LED 的研究背景及意義世界上第一個(gè)發(fā)光二極管是于1960年左右制成，主要材料是GaP ，主要發(fā)光波長(zhǎng)是700nm 左右的紅光。在1970年以后，發(fā)光二極管開(kāi)

17、始進(jìn)入市場(chǎng)，由于當(dāng)時(shí)二極管發(fā)光效率低下，發(fā)光亮度低，主要用于儀器設(shè)備的指示燈。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，芯片材料的豐富，封裝技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的進(jìn)步，二極管發(fā)光亮度越來(lái)越高，色光種類(lèi)也逐漸增多。到現(xiàn)階段，LED 在科研、生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，在各國(guó)半導(dǎo)體照明工程計(jì)劃的有力推動(dòng)下，開(kāi)始在通用照明領(lǐng)域得到普及。雖然散熱、封裝等關(guān)鍵技術(shù)在一定程度上限制了LED 光效的提高，其昂貴的價(jià)格也成為其進(jìn)入普通家庭照明市場(chǎng)的瓶頸。但是隨著半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED 的成本將不斷下降，應(yīng)用產(chǎn)品將越來(lái)越多樣化，取代現(xiàn)有通用照明燈具是一個(gè)必然的趨勢(shì)。高電壓LED 芯片解決多晶封裝的可靠性問(wèn)題，并減少電壓轉(zhuǎn)換

18、的能源損失。與傳統(tǒng)LED 相比，高壓LED 芯片具有簡(jiǎn)單穩(wěn)定的電路設(shè)、較高的電壓轉(zhuǎn)換效率、較低的能源損耗等優(yōu)點(diǎn)，憑借自由調(diào)節(jié)電壓與電流并有效簡(jiǎn)化LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及封裝有效提升了光輸出效率。LED 產(chǎn)業(yè)具有舉足輕重地位的黃光LED 發(fā)明人George Craford 也指出, 在有效控制LED 的電壓下, 未來(lái)高壓LED 將是市場(chǎng)的主流. 晶電已經(jīng)陸續(xù)與國(guó)際前三大照明廠商包括飛利浦, 歐司朗和GE 等簽訂合作保密協(xié)議, 這項(xiàng)突破性的產(chǎn)品已于2011年第二季開(kāi)始出貨, 主攻戶外照明市場(chǎng). 未來(lái)高壓交流LED （AC LED）在室內(nèi)2W 以下照明應(yīng)用中占有優(yōu)勢(shì),210W 室內(nèi)照明和所有戶外照明則

19、是高壓直流LED(HVLED的天下。業(yè)界認(rèn)為L(zhǎng)ED 芯片發(fā)光效率的發(fā)展路線為：2002到2007的第一個(gè)五年，光效將從25流明/瓦提升到75流明/瓦、2007到2012的第二個(gè)五年間，將LED 芯片的發(fā)光效率提升到150流明/瓦的平均水平，到2020年實(shí)現(xiàn)LED 芯片市場(chǎng)主流產(chǎn)品光效突破200流明/瓦的目標(biāo)。LED 照明在2007發(fā)年得到大力發(fā)展并成功進(jìn)入了白熾燈照明市場(chǎng)，而2012年其技術(shù)發(fā)展使得LED 照明進(jìn)入了熒光燈照明市場(chǎng)，業(yè)界專(zhuān)家認(rèn)為2020年LED 照明將全面取代如今傳統(tǒng)的家用照明燈具從而真正成為照明市場(chǎng)的主力產(chǎn)品。華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文1.2 高壓LED 概述高壓LED （HV

20、LED-High Voltage Light Emitting Diode）簡(jiǎn)單而言，就是在芯片的制作過(guò)程中，將外延層分割成大量高壓LED 芯片，而每個(gè)高壓LED 芯片內(nèi)包含若干獨(dú)立的芯粒單元，它們串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成高壓發(fā)光二極管。廣義上講，高壓發(fā)光二極管是指把一個(gè)大尺寸芯片（一般為45*45mil）的外延層通過(guò)刻蝕深溝槽的方式分割為多個(gè)獨(dú)立的芯粒（一般為15-17個(gè)），并通過(guò)蒸鍍電極連接橋的方式將芯粒以串聯(lián)的方式連接起來(lái)而構(gòu)成的發(fā)光二極管芯片，由于單個(gè)芯粒的電壓在20mA 電流驅(qū)動(dòng)下為3V ，串聯(lián)后的高壓LED 工作電壓可以達(dá)到45-51V ?，F(xiàn)在的高壓LED 主要分為：直流高壓LED 以及交流高

21、壓LED 兩大類(lèi)。1.2.1 直流高壓LED傳統(tǒng)的1W 功率的LED 芯片，電壓約3V ，驅(qū)動(dòng)電流350mA 。區(qū)別于傳統(tǒng)LED 芯片的1W 功率的直流高壓LED 芯片，驅(qū)動(dòng)電壓一般為45-51V ，驅(qū)動(dòng)電流則為20mA 左右。傳統(tǒng)的LED 產(chǎn)品屬于低壓直流驅(qū)動(dòng)，當(dāng)與變壓器、整流器一起使用的時(shí)候，整體壽命并沒(méi)有宣傳當(dāng)中長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，而是在使用過(guò)程中需要多次維護(hù)燈具的整流器件以及變壓器件，因此在使用上存在許多不便。而高壓LED 產(chǎn)品的高電壓直流驅(qū)動(dòng)使得其在使用上減少了變壓器件的使用，從而在產(chǎn)品的穩(wěn)定性以及應(yīng)用產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)上擁有更多的優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)講，高壓LED 是由15-17個(gè)小芯片串聯(lián)集成的

22、一個(gè)芯片，而一些包含了電路設(shè)計(jì)的chip 級(jí)集成高壓芯片也屬于高壓LED 的范疇。這類(lèi)高壓LED 可以解決多晶封裝的可靠性問(wèn)題，節(jié)約成本和空間，同時(shí)減少電壓轉(zhuǎn)換的能量損失，提高功率因數(shù)。 圖1-1 傳統(tǒng)LED 與高壓LED 驅(qū)動(dòng)電路區(qū)別高壓直流發(fā)光二極管（HV-LED ）只要包括以下幾類(lèi)：第一章 緒論1、平行結(jié)構(gòu)的HV-LED臺(tái)灣的晶元光電是最早參與高壓LED 芯片研發(fā)工作的公司之一。2010年6月，晶元光電推出平行結(jié)構(gòu)的高壓LED ，其冷白光的高壓LED 的光效的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果高達(dá)135lm/w。經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度地技術(shù)研發(fā)，在2011年1月4日，晶元光電研發(fā)中心 (Epistar Lab宣布其在高壓藍(lán)

23、光LED 方面，使用了不同于傳統(tǒng)熒光粉的新型光色轉(zhuǎn)換材料，使得組合芯片的發(fā)光光色呈暖白光，測(cè)試結(jié)果顯示其色溫為2800K ，而發(fā)光效率達(dá)到170流明/瓦，演色性為88，一舉成為行業(yè)的領(lǐng)先者（圖1-2）。 圖1-2 晶元2011-01-04發(fā)布的170lm/w的產(chǎn)品的圖片及其光譜 （2） （b ）圖1-3 （a ）晶電平行結(jié)構(gòu)高壓LED 芯片（b ）高壓LED 的芯片結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1-3所示的平行結(jié)構(gòu)高壓LED 的結(jié)構(gòu)包括：藍(lán)寶石襯底、生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底c 面上的GaN 緩沖層以及其上的N-GaN 層、多層量子阱層、P-GaN 層、電流擴(kuò)展層（ITO ）、電極以及不同芯粒之間的電流連接橋（Brid

24、ge ）。它們以串聯(lián)的形式連接在一起形成一個(gè)高壓LED 。2、倒裝結(jié)構(gòu)的HV-LED2010年10月，廣東晶科電子提出一種高壓芯片結(jié)構(gòu)方案，將制備好平行電極的高華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文壓LED 覆晶在帶有金屬布線層的散熱基板上，形成倒裝結(jié)構(gòu)的直流高壓LED 芯片。現(xiàn)階段晶科電子已經(jīng)將產(chǎn)品成功投放市場(chǎng)，20mA 的驅(qū)動(dòng)電流下，其平均光輸出功率達(dá)到250mW 。倒裝芯片相對(duì)于平行結(jié)構(gòu)HV-LED 具備的主要優(yōu)勢(shì)是：可以將芯片鍵合在具備良好導(dǎo)熱能力的襯底上（平行結(jié)構(gòu)的襯底材料是藍(lán)寶石，藍(lán)寶石的散熱性能較差）以幫助芯片散熱，從而有效提高高壓LED 芯片的電流密度和發(fā)光效率。晶科電子采用的是熱阻遠(yuǎn)小于藍(lán)

25、寶石的Si 作為其襯底材料。 （a ） （b ）圖1-4 （a ）晶科倒裝結(jié)構(gòu)的HV-LED 產(chǎn)品芯片圖（b ）倒裝結(jié)構(gòu)的直流高壓LED 制備示意圖倒裝結(jié)構(gòu)高壓直流LED 在制備過(guò)程中是直接將帶有等高度平行電極結(jié)構(gòu)的高壓LED 芯片直接鍵合在帶有金屬布線層的襯底材料上，通過(guò)襯底上的金屬布線層將各個(gè)芯粒串聯(lián)起來(lái)。相比平行結(jié)構(gòu)的HV-LED ，省略了蒸鍍金屬電極連接橋這一步工藝（這步工藝的好壞是造成高壓LED 芯片制備過(guò)程中產(chǎn)生漏電等可靠性問(wèn)題的關(guān)鍵），使得其產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平行結(jié)構(gòu)HV-LED 。而選用低熱阻的襯底材料，也可以有效提高高壓LED 芯片的散熱性能，提升了芯片的工作壽命、

26、降低了光衰。3、垂直結(jié)構(gòu)的HV-LED垂直結(jié)構(gòu)的HV-LED 的技術(shù)主要掌握在Cree 公司手里，其實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的功率型白光LED 芯片的光效已經(jīng)到達(dá)276流明/瓦，成為業(yè)內(nèi)記錄保持者。2009年，Cree 公司便自主研發(fā)出了垂直結(jié)構(gòu)的HVLED 芯片。2011年，Cree 發(fā)布了高壓XT-EHVW 和XM-LHVWLED 兩款典型電壓值均為46V 的高壓LED 芯片產(chǎn)品。在85攝氏度的高溫環(huán)境下，使用6W 的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮高壓LED 芯片， XM 系列高壓LED 光通量高達(dá)600lm （冷白光）和462lm （暖白光）；XT 系列高壓LED 光通量高達(dá)300lm （冷白光）和228lm （

27、暖白光）。第一章 緒論垂直結(jié)構(gòu)LED 芯片的支持襯底也采用熱阻較低的材料，散熱優(yōu)良，因此適于大電流密度驅(qū)動(dòng)。1.2.2 交流高壓LED韓國(guó)的首爾半導(dǎo)體是最早從事交流高壓LED 芯片（AC-LED ）的研發(fā)與推廣的公司之一。臺(tái)灣也有多家廠商從事該領(lǐng)域的研發(fā)與推廣。交流高壓LED 是基于“無(wú)需額外的變壓器、整流器或驅(qū)動(dòng)電路，交流電網(wǎng)的交流電就可以直接對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)”這樣一種理念進(jìn)行研發(fā)的，這也正是它相較于傳統(tǒng)LED 的顯著優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，避免了電源轉(zhuǎn)換的能量損失。同時(shí)，由于交流高壓LED 雙向?qū)ǖ木壒剩部梢员苊忪o電放電問(wèn)題，提高了芯片的穩(wěn)定性和可靠性。交流高壓LED 主要可以分為以下幾類(lèi)：1、平

28、行結(jié)構(gòu)的高壓AC-LED平行結(jié)構(gòu)的高壓AC-LED 也成為正裝結(jié)構(gòu)的高壓AC-LED 。一個(gè)芯片包括多個(gè)正裝結(jié)構(gòu)的芯粒。將它們進(jìn)行正負(fù)反向連接或者橋式回路連接，則可構(gòu)成正裝結(jié)構(gòu)的高壓交流LED 芯片。實(shí)際上，高壓交流LED 就是將高壓直流LED 的外接的整流電路整合到芯片當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)了可直接交流電源的目標(biāo)。美國(guó)的3N 公司，臺(tái)灣工研院以及首爾半導(dǎo)體都是這方面研究的領(lǐng)先者。 （a ） （b ） （c ）圖1-5 （a ）高壓AC-LED 的工作電路原理圖（b ）首爾半導(dǎo)體2002年公布的高壓交流LED 芯片制首爾半導(dǎo)體是最早從事高壓AC-LED 的半導(dǎo)體跨國(guó)企業(yè)之一。首爾半導(dǎo)體于2005年推出

29、一種可以使用交流電源來(lái)直接供電點(diǎn)亮的交流LED 。2011年9月23日，該公司宣布推出一款名為“Acriche A7”的交流LED芯片，Acriche A7額定功率為3.2瓦，光通華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文量能達(dá)到305流明，正是針對(duì)目前LED 照明市場(chǎng)上的主流需求而設(shè)計(jì)的。Acriche A7 體積更?。?mmx8mmx3.7mm ），具有更高的可靠性和放電效應(yīng)。Acriche 可以在不安裝轉(zhuǎn)換器的情況下，在110伏特或者220伏特的交流電壓下正常工作。2、倒裝結(jié)構(gòu)的高壓AC-LED倒裝高壓交流LED ，是將按照一定電路設(shè)計(jì)制備完整的高壓AC-LED覆晶于低熱阻的襯底上。同時(shí)將藍(lán)寶石襯底研磨至

30、一定厚度，來(lái)完成整個(gè)芯片的制作。 圖1-6 倒裝高壓交流LED 的剖面示意圖圖1-6中的高壓AC-LED ，主要采用了導(dǎo)電通孔，將N-PAD 與通孔中填充的導(dǎo)電金屬連接起來(lái)。同時(shí)將P-PAD 與散熱基板以上的金屬布線層連接，由于有平坦絕緣層以及鈍化絕緣層的保護(hù)，高壓芯片內(nèi)部的交流電路并沒(méi)有遭到破壞。將晶圓倒裝邦定在一散熱佳的基板上，正負(fù)電極分別位于芯片上下側(cè)，芯片上每一個(gè)發(fā)光單元因倒裝形成一倒梯形結(jié)構(gòu)，并由反射層包覆，形成向上開(kāi)口具有反射杯效果的結(jié)構(gòu)，同時(shí)可減少電極對(duì)出光方向的遮蔽，此一結(jié)構(gòu)由于芯片上方只有負(fù)電極，可大大方便高壓發(fā)光二極管的發(fā)光單元布局設(shè)計(jì)4。3、垂直結(jié)構(gòu)的高壓AC-LED與直

31、流高壓LED 芯片技術(shù)相仿，垂直結(jié)構(gòu)的高壓AC-LED 相比平行結(jié)構(gòu)的直流高壓LED 擁有更良好的散熱效果，易于采用較大的電流密度來(lái)驅(qū)動(dòng)，這也是垂直結(jié)構(gòu)高壓AC-LED 進(jìn)入研發(fā)人員研發(fā)方向的重要原因。主要包含將數(shù)個(gè)LED 芯粒的正極和負(fù)極以相反方向連接起來(lái)的垂直結(jié)構(gòu)的ACLED 芯片以及橋式回路連接的垂直結(jié)構(gòu)的ACLED 芯片。前者是由兩組串聯(lián)連接的芯粒單元組反向連接形成高壓交流LED 芯片，當(dāng)連通電路時(shí)，每個(gè)電流震蕩周期，總有一個(gè)芯粒單元組被點(diǎn)亮，以此實(shí)現(xiàn)交流電壓下的正常工作。后者主要是將電路設(shè)計(jì)集成到芯片第一章 緒論制作的過(guò)程當(dāng)中，使得芯片形成橋式回路連接。4、3D 垂直結(jié)構(gòu)的大電流密度

32、ACLED 芯片（1）正負(fù)互聯(lián)的高電流密度的垂直結(jié)構(gòu)ACLED 芯片在3D 垂直結(jié)構(gòu)的直流的高電壓大電流密度LED 芯片上，制作正負(fù)方向相接的電極連接方式，使得多個(gè)芯片單元形成正負(fù)反向連接，則形成芯粒正負(fù)電極反方向串接的3D 垂直結(jié)構(gòu)的大電流密度ACLED 芯片。（2）橋式回路連接的高電流密度的垂直結(jié)構(gòu)ACLED 芯片在3維垂直結(jié)構(gòu)的直流的高電壓大電流密度LED 芯片上，采用與正負(fù)互聯(lián)的高電流密度的垂直結(jié)構(gòu)ACLED 相同的方式，區(qū)別在于前者采用了橋式回路連接方式，而后者是正負(fù)反向連接的方式。這樣便可以制備出橋式回路連接的高電流密度的垂直結(jié)構(gòu)ACLED 芯片。1.3 高壓LED 芯片的研究現(xiàn)狀

33、1.3.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外的高壓LED 芯片的研究技術(shù)，主要掌握在CREE 、Nichia 、Lumileds 、Osram 、Soul Semiconductor 、III-N Technology 等幾個(gè)跨國(guó)公司手中。這幾家公司封裝的白光高壓LED 產(chǎn)品的光效都超過(guò)110lm/W。CREE 作為L(zhǎng)ED 照明領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率最大的公司2010年就已經(jīng)推出光效超過(guò)160lm/W的產(chǎn)品。在最近更是宣布其功率型白光LED 的光效高達(dá)276流明/瓦。2011年推出的主力產(chǎn)品XLamp 系列，工作電壓為46V 。環(huán)境溫度為85攝氏度的高溫下，使用6W 的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)LED 芯片， XM 系列高壓LE

34、D 光通量高達(dá)600lm （冷白光）和462lm （暖白光）；XT 系列高壓LED 光通量高達(dá)300lm （冷白光）和228lm （暖白光）。而OSRAM 的高壓LED 的產(chǎn)品的光效則達(dá)到了150lm/W，Nichia 的自主高壓LED 產(chǎn)品的光效則達(dá)到133lm/W。韓國(guó)的首爾半導(dǎo)體推出的交流高壓LED 芯片，2011年的A7系列產(chǎn)品在3.2W 的工作電壓下，能達(dá)到305lm 的光輸出。美國(guó) III-N Technology自主研發(fā)的使用MOCVD 外延生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)出來(lái)的氮化鎵襯底，可以有效的降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率。3N 研發(fā)的單芯片交流發(fā)光二極管（ACLED ），在專(zhuān)利技術(shù)方面非常齊全

35、完好，擁有良好的專(zhuān)華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文利保護(hù)系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)外質(zhì)量最好的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的交流發(fā)光二極管產(chǎn)品。臺(tái)灣晶元光電是全球最早推出高壓LED 芯片的公司，其高壓LED 芯片的性能與質(zhì)量也一直是行業(yè)的領(lǐng)頭者。早在2010年11月12日，Epistar Lab自主研發(fā)的45mil*45mil尺寸的HVLED 芯片，當(dāng)加以20mA 的驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，其發(fā)光呈冷白光，色溫為5000K ，而發(fā)光效率高達(dá)162流明/瓦。而同年的12月份，晶電又在高壓LED 芯片技術(shù)上取得進(jìn)一步的發(fā)展，晶元光電研究中心成功研發(fā)出多項(xiàng)LED 芯片關(guān)鍵技術(shù)，包括全新的透明基板工藝、能有效提高光提取效率的微結(jié)構(gòu)技術(shù)與均勻化電流

36、分布的關(guān)鍵技術(shù)，利用這幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的波長(zhǎng)為610nm 的紅光LED 芯片的發(fā)光效率高達(dá)174流明/瓦。同時(shí)，在高壓藍(lán)光LED 方面，使用了不同于傳統(tǒng)熒光粉的新型光色轉(zhuǎn)換材料，使得組合芯片的發(fā)光光色呈暖白光，測(cè)試結(jié)果顯示其色溫為2800K ，而發(fā)光效率達(dá)到170流明/瓦，顯色性為88。2011年12月晶元光電研發(fā)中心(EPISTAR LAB發(fā)表最高暖白效率芯片組合，晶元光電研發(fā)中心自主研發(fā)的新產(chǎn)品紅藍(lán)光芯片組合高壓LED ，具備良好的性能。產(chǎn)品色溫為暖白光（2700K ），5mA 的驅(qū)動(dòng)電流下，光效高達(dá)216lm/W，顯色指數(shù)為87，而當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流增大到15mA 時(shí)，其光效也能達(dá)到197lm/

37、W這樣高的數(shù)值。國(guó)內(nèi)，三安光電、德豪潤(rùn)達(dá)、乾照光電、士蘭明芯等企業(yè)在國(guó)家大政策和各地政府補(bǔ)貼的支持下成為了國(guó)內(nèi)LED 芯片行業(yè)的領(lǐng)先者，在關(guān)鍵技術(shù)上得到了比較快速的發(fā)展。然而相比歐美日企業(yè)所掌握的LED 半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)廠商尚有較大差距。1.3.2 提高LED 芯片發(fā)光效率的主要技術(shù)LED 芯片的發(fā)光效率主要由內(nèi)量子效率和外量子效率組成。近幾年，由于工藝和技術(shù)的成熟，已經(jīng)可以制備內(nèi)量子效率達(dá)到80%以上的GaN 基LED 。因此，通過(guò)提高內(nèi)量子效率來(lái)大幅度提高LED 的發(fā)光效率幅度越來(lái)越有限5。如何通過(guò)改進(jìn)芯片制備工藝和各項(xiàng)參數(shù)來(lái)制備出擁有更高外量子效率的LED 芯片成為半導(dǎo)體照明

38、LED 關(guān)鍵技術(shù)之一。多年以來(lái)，人們開(kāi)展了很多研究來(lái)提高其外量子效率。主要方法包括以下幾種：圖形化襯底技術(shù)（Pattern Sapphire Substrate）、激光剝離襯底技術(shù)（Laser Lift-Off）、表面粗化技術(shù)（Surface Textured）、光子晶體（Photonic Crystal）、表面等離子激元（Surface Plasmon ）、倒金字塔形狀（Truncated Inverted Pyramid）、倒裝結(jié)構(gòu)芯片（Flip Chip）、布第一章 緒論拉格反射層技術(shù)（Distributed Bragg Reflector ）、側(cè)面微結(jié)構(gòu)技術(shù)（Microstructur

39、e of Sidewall ）等等。其中適用于高壓LED 芯片的光效提升技術(shù)主要有：圖形化襯底技術(shù)、表面粗化技術(shù)、光子晶體、倒裝結(jié)構(gòu)芯片、布拉格反射層技術(shù)、側(cè)面微結(jié)構(gòu)技術(shù)。圖形化襯底技術(shù)（Pattern Sapphire Substrate）GaN 基高壓LED 芯片使用藍(lán)寶石襯底，但它與GaN 材料存在晶格失配和熱膨脹失配的缺點(diǎn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員在藍(lán)寶石襯底上刻蝕出陣列微結(jié)構(gòu)，它能有效減少藍(lán)寶石與GaN 之間的失配問(wèn)題，同時(shí)能破壞內(nèi)全反射，提升出光效率。GaN 的折射率(n =2.5大于空氣的折射率(n =1和藍(lán)寶石襯底的折射率(n =1.78, 因此內(nèi)全反射的臨界角(23

40、6; 非常小, 造成量子阱層產(chǎn)生的光子只有4% 從表面溢出, 光子在芯片內(nèi)部不停地折返過(guò)程中，逐漸被材料吸收掉, 轉(zhuǎn)化成熱能6。實(shí)驗(yàn)表明，微米級(jí)的濕法刻蝕圖形化藍(lán)寶石襯底在室溫20 mA 電流驅(qū)動(dòng)下, 圖形化藍(lán)寶石襯底上制備的LED 功率較普通藍(lán)寶石襯底上制備的LED 功率提高25%-50%不等，而對(duì)應(yīng)的干法刻蝕圖形化藍(lán)寶石襯底，在室溫20 mA 電流驅(qū)動(dòng)下, 圖形化藍(lán)寶石襯底上制備的LED 功率較普通藍(lán)寶石襯底上制備的LED 功率提高25%-44%不等6。 圖1-7 圖形化襯底（PSS ）的形貌表面粗化技術(shù)（Surface Texture）由于GaN 的折射率(n =2.5與空氣(n =1折

41、射率相比，相差較大。而當(dāng)光從光密介質(zhì)出射到光疏介質(zhì)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)全反射現(xiàn)象，使得光在介質(zhì)內(nèi)部不停傳播而無(wú)法離開(kāi)介質(zhì)，最終被材料吸收，轉(zhuǎn)化為熱能。表面粗化技術(shù)與圖形化襯底是基于同一個(gè)出發(fā)點(diǎn)而進(jìn)行研發(fā)的。表面粗化能提高芯片的外量子效率高達(dá)30%7。同時(shí)，有實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)表面粗化的顆粒大小與二分之一出射光波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，能使光線的出射角度達(dá)到最大程度的隨機(jī)化，也即能最大程度的減少全內(nèi)反射帶來(lái)的損耗8。華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1-8 （a ）未粗化的GaN 表面的光路示意圖（b ）粗化過(guò)后的GaN 表面的光路示意圖光子晶體光子晶體結(jié)構(gòu)是由兩種不同介質(zhì)材料空間周期排列形成的一種人工結(jié)構(gòu)，由于其介電常數(shù)呈周期性

42、改變，因此在光子晶體中光的色散關(guān)系發(fā)生變化，并在一定頻率范圍內(nèi)會(huì)形成光子禁帶。且在某些頻率范圍內(nèi)可以抑制光的自發(fā)輻射。光子晶體應(yīng)用于LED 的制備生產(chǎn)過(guò)程中，能顯著提高其LEE ，這主要是利用了光子晶體的禁帶效應(yīng)和周期柵格的衍射效應(yīng)9。光子晶體依據(jù)介電常數(shù)排列的不同, 可以分為: 一維光子晶體(1D、二維光子晶體(2D和三維光子晶體(3D。如圖1-9所示。一維光子發(fā)射的衍射光是小范圍的, 無(wú)法衍射平面內(nèi)360°入射的光。而目前的技術(shù)仍沒(méi)有辦法制備良好的三維光子晶體。二維光子晶體能使更多方向上的平面光衍射出LED 表面, 提高LED 的出光效率目前主要是使用二維光子晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其影響

43、出光效率的主要因素有光子晶體的結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)和高度等10。 圖1-9 （a ）一維光子晶體 （b ）二維光子晶體 （c ）三維光子晶體2009年，上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究所采用時(shí)域有限差分法對(duì)比了正方排列和三角排列的圓形光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，模擬數(shù)據(jù)顯示，正方排列和三角排列圓形光子晶體結(jié)構(gòu)對(duì)GaN 基藍(lán)光LED 出光效率皆有提高，是無(wú)光子晶體結(jié)構(gòu)的5-6倍，且三角排列結(jié)構(gòu)效果優(yōu)于正方排列結(jié)構(gòu)11。2012年，Lin 等通過(guò)在LED 上刻蝕出二維的圓形光第一章 緒論子晶體（CPC ）結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示其發(fā)光強(qiáng)度比起沒(méi)有光子晶體結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)了8.6倍，并且優(yōu)化其晶格常數(shù)、占空比以及刻蝕深度，得出了最佳

44、晶格常數(shù)、占空比以及刻蝕深度分別為500nm 、0.4以及90nm 12。2013年，陳新蓮等研究了亞波長(zhǎng)尺度光子晶體對(duì)LED 光提取效率（LEE ）的提升，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光子晶體空氣孔位置和半徑的無(wú)序變化量從0到20 nm 之間變化時(shí), LEE 最大會(huì)產(chǎn)生53.8%的浮動(dòng)13。倒裝結(jié)構(gòu)芯片倒裝結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)倒裝焊的方法，將電極鍵合在帶有金屬布線層和靜電放電保護(hù)電路（ESD ）的散熱基板上14。利用藍(lán)寶石襯底的折射率處于空氣與GaN 之間這個(gè)特性來(lái)減弱反射損耗，同時(shí)較少內(nèi)全反射的程度。而且倒裝的方法可以解決電極阻擋部分出光的問(wèn)題。而散熱基板一般采用熱阻較低的Si 材料，有助于芯片的散熱，從而提高芯片的光效。 圖1-10 倒裝LED 芯片示意圖布拉格反射層技術(shù)（DBR ）布拉格反射層是使用兩種不同折射率的材料交替