LED半導體照明外延及晶片技術的最新進展（2）——晶片工藝

二、晶片工藝

1.正裝晶片

正裝晶片是目前市場上使用最多的晶片，日本日亞公司是該技術路線的典型代表。它一般是在藍寶石圖形襯底上生長LED材料，從表面p-GaN出光，並在藍寶石背面蒸鍍一層反射膜。需將晶片的一部分區域幹法刻蝕至n-GaN以製作共面電極。正裝晶片的結構簡單，製作成本低，適合小功率工作。

由於藍寶石襯底的散熱能力不強，正裝晶片大功率工作時會受到一些限制，但是日亞公司憑藉其材料品質上的優勢實現了LED在高結溫下依然具有可觀的效率。其使用外量子效率84.3%的藍光LED正裝晶片封裝得到的白光LED在20 mA下可實現249 lm/W的光效；高功率白光LED在350 mA電流下光效為183 lm/W。正裝晶片的關鍵技術包括：

(1)透明導電膜

目前產業界主要使用氧化銦錫(ITO)電極作為p-GaN表面的透明歐姆電極。ITO是在太陽能電池和液晶領域被廣泛使用的透明導電膜，在藍光區域有良好的透光性。另一方面，In元素在地球上的儲量不豐富，屬於稀有金屬。因此，人們開始尋找新的透明導電材料代替ITO，比較有代表性的是ZnO透明薄膜。ZnO也屬於寬禁帶半導體，對藍光透明。但是其穩定性、接觸特性等與ITO相比還存在差距，因此產業界尚未開始使用。

(2)表面粗化

前面提到，藍寶石圖形襯底的使用增強了光在GaN和藍寶石介面處的散射，大幅提高了LED的光提取效率。在p-GaN表面或ITO電極表面也可製作相應的粗糙化結構來增強光的散射。日亞公司的代表性技術之一，就是將ITO透明電極製作成網狀結構，以利於光的出射。一些機構也開始研究採用自組裝生長ITO納米線的方法在LED表面形成粗化結構。

此外，也有人嘗試採用幹法刻蝕的方法在p-GaN上製作二維光子晶體結構，利用光子晶體的禁帶實現藍光的全部出射。但是大面積均勻的光子晶體的製作十分困難，成本很高，且會對電特性造成一定破壞，因此在產業界使用不多。

(3)DBR反射器

DBR反射器主要用於蒸鍍在被減薄的藍寶石襯底背面，將原本從藍寶石背面出射的光反射至LED表面出射。早期的反射鍍膜使用Al、Au等金屬，但成本過高，目前較多使用的是由SiO2/TiO2介質膜組成的DBR反射器。

2.垂直結構晶片

垂直結構晶片是目前高端LED晶片採用的主流技術路線。它是在p-GaN表面蒸鍍高反射率金屬歐姆電極並將LED倒扣焊接在Si或金屬熱沉上，然後把襯底剝離掉露出粗糙的n-GaN，在n-GaN表面製作歐姆電極，器件工作時電流垂直流過晶片。

這種設計不損失製作共面電極時刻蝕掉的那一部分發光面積，且電流垂直流過晶片避免了橫向流動的擁塞效應，同時散熱能力變得很強，因此晶片在大功率條件下工作的性能很高。但是工藝步驟比較多，製作成本比正裝晶片要高。美國Cree公司是該技術路線的代表，已經開始量產1W電功率下光效達200 lm/W的白光LED器件(非傳統1×1 mm2尺寸的晶片)。其關鍵的技術包括：

(1)襯底剝離

對於Si襯底，一般採用濕法腐蝕的方式去掉襯底即可。而對於藍寶石或者SiC襯底則一般採用鐳射剝離技術進行分離，它是將紫外鐳射聚焦到襯底和LED的介面處，讓GaN吸收鐳射紫外的能量生成液態Ga和N2從而使襯底與GaN外延層分離。該技術可以一次剝離整片襯底，效率很高，但是需要盡可能避免鐳射對LED外延層造成的損傷。

(2)表面粗化

鐳射剝離後的n-GaN表面是粗糙的N極性面，將其浸泡於加熱的KOH溶液之中，KOH可以腐蝕GaN表面形成隨機排布的金字塔結構，這種結構十分利於光的散射。該技術的專利掌握在UCSB中村小組手中，但許多廠商實際都在使用相同的技術。

3.倒裝晶片

藍寶石襯底是限制正裝LED晶片散熱的主要因素，美國Lumileds公司率先在業界開發了基於Si基熱沉的倒裝晶片結構。它首先製備出具有適合共晶焊接電極的大尺寸LED晶片，同時製備出相應尺寸的矽底板並在其上製作出供共晶焊接的金導電層及引出導電層，然後利用共晶焊接設備將大尺寸LED晶片倒扣後與矽底板焊接在一起，光從藍寶石襯底的背面出射，熱量通過電極焊料從Si基熱沉導走。

這樣的結構較為合理，即考慮了出光問題又考慮到了散熱問題，適合製作大功率LED。當藍寶石襯底的鐳射玻璃技術發展起來後，曾經一度認為倒裝晶片是一種介於正裝晶片和垂直結構晶片之間的過渡技術。在大多數企業放棄倒裝結構的時候，Lumileds公司依然堅持了這種技術路線，即使能夠將藍寶石襯底剝離掉也還是保留了共面電極的設計。

這種倒裝結構在chip on board(COB)技術發展起來以後又重新回歸到人們的視野中。COB技術是在陶瓷基板上採用印刷電路的方式製備出已經設計好串並聯電路的若干晶片電極焊點，將LED倒裝晶片一顆顆依次焊接在board上實現大功率的器件。這種設計簡化了封裝，實現了大功率器件的小型化，為照明燈具的設計提供了便利。

4.高壓交/直流驅動LED

單顆LED晶片工作於低壓直流狀態下，為了適用220 V的市電，LED照明光源需要配套相應的驅動電源。但是將220 V高壓變為3 V左右低壓的電源轉換效率不夠高，同時壽命受限於電解電容，在實際使用中存在許多問題。

在晶片層面實現多顆LED小晶片的串並聯可使得LED工作在更高的驅動電壓下，主要有兩種思路。一種是利用LED作為二極體的整流特性，將多顆LED小晶片組成電橋結構，直接採用220 V交流電驅動LED，這種方式的優點是省去了變壓器，但是每半個週期只有部分LED點亮，因此效率不高。

另一種是將多顆LED小晶片串聯起來，採用高壓直流電驅動。這種方式依然需要電源適配器，但是由於變壓後的電壓是幾十伏，所以驅動電源的效率高，可靠性也高，相比傳統方式還是有所改善。因此，高壓直流驅動LED晶片目前是韓國和臺灣廠商研究的一個熱點。

以上對目前的LED材料外延和晶片工藝的關鍵技術以及發展狀況進行了概括。在各國企業和研究機構的大力投入下，LED材料和晶片技術已經比較成熟，晶片的光效已經不再是限制LED照明應用的主要瓶頸。

半導體照明技術下一步的發展是在盡可能降低成本的同時提供比傳統照明更好的光色品質和人眼舒適度。這對LED材料和晶片提出了新的要求，如果高效率和高顯色指數的無螢光粉單晶片白光LED能夠實用化，則無疑是對半導體照明技術的一項顛覆性革命。-上海科銳光電發展有限公司邵嘉平


藍寶石鎢鉬製品生產商、供應商：中鎢線上科技有限公司
產品詳情查閱：http://www.chinatungsten.com
訂購電話：86 592 5129696 傳真：86 592 5129797
電子郵件：sales@chinatungsten.com
鎢圖片網站：http://image.chinatungsten.com
鎢視頻網站：http://v.chinatungsten.com
鎢新聞、價格手機網站，3G版：http://3g.chinatungsten.com

• < 前一頁
• 下一個 >