高压发光二极管的研制及产业化应用

郑建森

厦门市三安光电科技有限公司，福建厦门 361009

0 引言

发光二极管是利用半导体的P-N 结电致发光原理制成的半导体发光器件，具有无污染、亮度高、功耗小、寿命长、工作电压低、易小型化等优点。随着研究不断深入，其发光亮度也不断提高，应用领域也越来越广[1]。近年来，随着 LED 在材料选取、晶粒制程、封装架构设计技术等方面的研究不断进步，新型的高压发光二极管（HV-LED）技术应运而生，有利推动了 LED 照明技术的实用化[2]。

目前，Cree 仍是照明LED 技术领导者，并已推出160lm/W 产品，但价格相对偏高。欧司朗、日亚、晶电、璨圆也先后推出发光效率分别达136lm/W 、133lm/W、110lm/W 和100lm/W 的高压HV-LED 芯片。此外，武汉迪源也研发出高压芯片，并实现量产。

1 新型HV-LED 与传统DC-LED 的特点对比

传统DC-LED 芯片是在大电流低电压下工作，为提升使用电压，一般在封装端采用多颗芯片串并联，而新型HV-LED直接在芯片端便实现了晶粒间的串并联，使其在低电流高电压下工作，大大减少了芯片固晶、键合数量，封装成本降低。

HV-LED 芯片是在单位面积内形成多颗微晶粒集成，而COB 是采用若干个HV-LED 芯片集成，避免各芯片间同波段内如波长、电压、亮度跨度带来的一致性问题； HV-LED 芯片自身工作电压高，易通过串并联实现封装成品工作电压接近市电，提高驱动电源的转换效率；由于工作电流低，线路损耗也将明显低于传统的 DC 功率LED 芯片。

2 HV-LED 的工艺技术关键点

集成式HV-LED 与传统DC-LED 的制作工艺比较相似，区别是需外加三步关键工艺，其中每步工艺都对器件的光电特性、良品率等有重要影响。

1）蚀刻隔离沟槽。隔离目的在于将晶片上每个单元内的若干颗的晶胞独立开来，实现电学隔开，因此隔离沟槽需要足够地深，直至绝缘衬底，其深度一般在5um～10um，隔离沟槽宽度则无固定限制，但隔离沟槽太宽代表着有效发光区域的减少，会降低光效，因此需要开发高深宽比的制程技术，缩小制程线宽以增加发光效率；

2）沉积绝缘层，若绝缘层不具备良好的绝缘特性，将使整个设计失败，其难点在于必须在高深宽比的沟槽上披覆包覆性良好、膜质紧密及绝缘性佳的膜层，即所选的膜层材料除了要有非常好的绝缘性能，也需要有非常好的阶梯覆盖保形能力，让晶片每个单元的侧壁上都能沉积优质均匀的薄膜；

3）晶片间金属导线互联。良好的连接是导线在跨接时需要相对平坦的表面，深邃的阶梯状结构将使得导线结构薄弱，在高电压、高电流驱动下易产生毁损，造成晶片失效，因此平坦化制程的开发非常重要。理想状态是在做绝缘层时，能同时将深邃的沟槽予以平坦化，使互连导线得以平顺连接，如图1所示。

图1 HV-LED 晶片间的金属导线互联SEM 图

3 HV-LED 芯片的制作与应用

GaN 基蓝光LED 电压在3.0V～3.2V，HV-LED 主要用于封装成球泡灯、射灯、落地面板灯等。以5W 球泡灯为例，介绍HV-LED 的制作与应用。为了球泡灯能在家用电压下正常工作，同时考虑实际应用中串入恒流IC 以及兼顾性能、良率、成本等因素，将23*45mil 芯片设计成单颗18V 的HV-LED，单颗芯片上需要形成6 颗独立且串联在一起的微晶粒组，简称HV-6。23*45mil HV-LED 的电流驱动设定为20mA，单颗HVLED 的电功率消耗估算值约为0.36W，为了制作5W 球泡灯，采用15 串HV-6 串联，并接入简单的驱动电路以实现 HVLED 在AC220V 下正常工作。

图2 为集成式HV-LED 芯片在20mA 电流下的光场分布图，可以看出，点亮后芯片表面无明显暗区，这说明每颗微晶粒都是正常工作的，电流的分布大致均匀，具有良好的电流扩展性。

图2 HV-LED 的光场分布图

为比较HV-LED 与传统DC-LED 光电特性，同时设计并制作10*23mil DC-LED 芯片，其外延片选用和HV-LED 同炉同圈，芯片工艺流程一致，驱动电流是20mA，工作电压约为3.1V，对应的电功率消耗约为0.062W，采用90 颗10*23mil DC-LED 芯片以COB 封装形式用于5W 球泡灯，这样保证90颗传统10*23mil DC-LED 芯片与15 颗23*45mil HV-LED 的电功率消耗相当。

采用LED 光色电测试系统对5W 球泡灯（测试电流为20mA）进行测试，结果如表1 所示。

表1 HV-LED 与常规DC-LED用于封5W 球泡灯的光电特性比较表

从表1 看出，23*45mil HV-LED 的芯片光效平均值约为115lm/W，较传统10*23mil DC-LED 高出约8%，这说明HVLED 结构较DC-LED 光效萃取地更多，更适合用于封球泡灯。

4 结论

本文通过对图形化蓝宝石衬底外延生长、芯片晶粒间隔离及晶粒间金属互联等多种工艺技术的优化，成功开发出集成式高压氮化镓基发光二极管，其产业化光效超过110lm/W；20mA 下光场分布图，显现出良好的电流扩展性；与传统DCLED 相比，封5W 球泡灯时，HV-LED 芯片光效超过115lm/W，高出约8%，达到同类产品先进水平。三安光电已开发系列化高压HV-LED，主要有HV-4、HV-6、HV-15 等多种尺寸不同电压的芯片产品，并实现客制化。

[1]罗毅，张贤鹏，韩彦军，等.半导体照明关键技术研究[J].激光与光电子学进展，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.