高壓LED基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)介紹

　　對(duì)于高功率LED的設(shè)計(jì),，目前各大廠多以大尺寸單顆低壓DC LED為主，做法有二,，一為傳統(tǒng)水平結(jié)構(gòu),，另一則為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),。就第一種做法而言，其製程和一般小尺寸晶粒幾乎相同,，換句話說(shuō),，兩者的剖面結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì),，都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電流叢聚效應(yīng)(Current crowding),，其結(jié)果除了使得LED晶片達(dá)不到設(shè)計(jì)所需的亮度外，也會(huì)損害晶片的可靠度(RELiability),。

　　當(dāng)然,，對(duì)上游晶片製造者／晶片廠而言，此作法製程相容性(Compatibility)高,，無(wú)需再添購(gòu)新式或特殊機(jī)臺(tái),，另一方面，對(duì)于下游系統(tǒng)廠而言,，週邊的搭配,，如電源方面的設(shè)計(jì)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(kuò)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(yīng)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(qū)動(dòng)方式的差異

　　第2種做法較第1種復(fù)雜許多,，由于目前商品化的藍(lán)光LED幾乎都是成長(zhǎng)于藍(lán)寶石基板之上，要改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),，必須先和導(dǎo)電性基板做接合之后,，再將不導(dǎo)電的藍(lán)寶石基板予以移除，之后再完成后續(xù)製程,；就電流分布而言,，由于在垂直結(jié)構(gòu)中，較不需要考慮橫向傳導(dǎo),，因此電流均勻度較傳統(tǒng)水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)為佳,；除此之外，就基本的物理塬理而言，導(dǎo)電性良好的物質(zhì)也具有高導(dǎo)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(fù)雜度提高,，導(dǎo)致良率較傳統(tǒng)水平結(jié)構(gòu)低,，製作成本高出不少。

　　高壓發(fā)光二極體(HV LED)基本結(jié)構(gòu)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(gòu)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(shù)量與大小等,，等同于做到客製化的服務(wù)。由于可以針對(duì)每顆cell加以優(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(fù)數(shù)顆的晶胞獨(dú)立開(kāi)來(lái)，因此其溝槽下方需要達(dá)到絕緣的基板,，其深度依不同的外延結(jié)構(gòu)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有效發(fā)光區(qū)域的減少,，將影響HV LED的發(fā)光效率表現(xiàn)，因此需要開(kāi)發(fā)高深寬比的製程技術(shù),，縮小製程線寬以增加發(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(shè)計(jì)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(dǎo)線(Interconnect)。一般而言,，要做到良好的連結(jié),，導(dǎo)線在跨接時(shí)需要一個(gè)相對(duì)平坦的表面,，一個(gè)深邃的階梯狀結(jié)構(gòu)將使得導(dǎo)線結(jié)構(gòu)薄弱，在高電壓,、高電流驅(qū)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(dǎo)線得以平順連接,。

　　此外,，高壓發(fā)光二極體在應(yīng)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(yīng)用于定直流(Constant DC)中,，只要外接橋式整流器,，它也能夠應(yīng)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(cǎi)用同質(zhì)氮化鎵的做法而改採(cǎi)用硅整流器，不僅使得耗能少,，更可防止逆向偏壓過(guò)大對(duì)晶片所造成的影響,；最后，因?yàn)楦邏喊l(fā)光二極體較AC LED少了內(nèi)部橋整的發(fā)光區(qū),，使發(fā)光效率相對(duì)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(tǒng)低壓發(fā)光二極體,，主要可歸因?yàn)樾‰娏鳌⒍郼ell的設(shè)計(jì)能均勻地將電流擴(kuò)散開(kāi)來(lái),，進(jìn)而提升光萃取效率,。在一些應(yīng)用當(dāng)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(xiàng)重要指標(biāo)；例如在當(dāng)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(nèi)都必須附加交流轉(zhuǎn)直流(AC/DC)的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，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(xiàn)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(shè)計(jì)也不可缺少,，目前散熱設(shè)計(jì)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?gòu)U熱及對(duì)散熱的需求，進(jìn)而削減成本,；從電源轉(zhuǎn)換的角度而言,，高電壓小瓦數(shù)的電源轉(zhuǎn)換器如返馳拓僕式電路，除了體積小外,，因?yàn)閽?cǎi)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(yīng)用及設(shè)計(jì)上,，單晶片的高壓發(fā)光二極體有下列好處：

　　1、節(jié)省變壓器能量轉(zhuǎn)換的損耗及降低成本,。

　　2,、除了高電壓直流的應(yīng)用外，利用外部橋式整流電路也可設(shè)計(jì)于交流下操作,。

　　3,、體積小不佔(zhàn)空間，對(duì)封裝及光學(xué)設(shè)計(jì)都具有極佳的運(yùn)用彈性,。

　　4,、除了紅色螢光粉外，也可以運(yùn)用藍(lán),、紅HV LED搭配適當(dāng)?shù)狞S,、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(jù)客戶的各項(xiàng)參數(shù)需求,，做設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基本檢查,；進(jìn)一步根據(jù)相關(guān)的光、電及熱模型執(zhí)行模擬,，決定單位晶胞的大小,、數(shù)目及最終產(chǎn)品呈現(xiàn)形式后，再加以實(shí)踐驗(yàn)證,；并根據(jù)實(shí)踐所收集到的資料,，驗(yàn)證塬始設(shè)計(jì)，或是加以修改達(dá)到優(yōu)化的結(jié)果,。目前晶元光電研發(fā)中心已經(jīng)著手進(jìn)行高壓發(fā)光二極體相關(guān)模擬光,、電及熱模型的建立。