LED半导体照明外延及芯片技术的最新进展（2）——芯片工艺

二、芯片工艺

1.正装芯片

正装芯片是目前市场上使用最多的芯片，日本日亚公司是该技术路线的典型代表。它一般是在蓝宝石图形衬底上生长LED材料，从表面p-GaN出光，并在蓝宝石背面蒸镀一层反射膜。需将芯片的一部分区域干法刻蚀至n-GaN以制作共面电极。正装芯片的结构简单，制作成本低，适合小功率工作。

由于蓝宝石衬底的散热能力不强，正装芯片大功率工作时会受到一些限制，但是日亚公司凭借其材料质量上的优势实现了LED在高结温下依然具有可观的效率。其使用外量子效率84.3%的蓝光LED正装芯片封装得到的白光LED在20 mA下可实现249 lm/W的光效；高功率白光LED在350 mA电流下光效为183 lm/W。正装芯片的关键技术包括：

(1)透明导电膜

目前产业界主要使用氧化铟锡(ITO)电极作为p-GaN表面的透明欧姆电极。ITO是在太阳能电池和液晶领域被广泛使用的透明导电膜，在蓝光区域有良好的透光性。另一方面，In元素在地球上的储量不丰富，属于稀有金属。因此，人们开始寻找新的透明导电材料代替ITO，比较有代表性的是ZnO透明薄膜。ZnO也属于宽禁带半导体，对蓝光透明。但是其稳定性、接触特性等与ITO相比还存在差距，因此产业界尚未开始使用。

(2)表面粗化

前面提到，蓝宝石图形衬底的使用增强了光在GaN和蓝宝石界面处的散射，大幅提高了LED的光提取效率。在p-GaN表面或ITO电极表面也可制作相应的粗糙化结构来增强光的散射。日亚公司的代表性技术之一，就是将ITO透明电极制作成网状结构，以利于光的出射。一些机构也开始研究采用自组装生长ITO纳米线的方法在LED表面形成粗化结构。

此外，也有人尝试采用干法刻蚀的方法在p-GaN上制作二维光子晶体结构，利用光子晶体的禁带实现蓝光的全部出射。但是大面积均匀的光子晶体的制作十分困难，成本很高，且会对电特性造成一定破坏，因此在产业界使用不多。

(3)DBR反射器

DBR反射器主要用于蒸镀在被减薄的蓝宝石衬底背面，将原本从蓝宝石背面出射的光反射至LED表面出射。早期的反射镀膜使用Al、Au等金属，但成本过高，目前较多使用的是由SiO2/TiO2介质膜组成的DBR反射器。

2.垂直结构芯片

垂直结构芯片是目前高端LED芯片采用的主流技术路线。它是在p-GaN表面蒸镀高反射率金属欧姆电极并将LED倒扣焊接在Si或金属热沉上，然后把衬底剥离掉露出粗糙的n-GaN，在n-GaN表面制作欧姆电极，器件工作时电流垂直流过芯片。

这种设计不损失制作共面电极时刻蚀掉的那一部分发光面积，且电流垂直流过芯片避免了横向流动的拥塞效应，同时散热能力变得很强，因此芯片在大功率条件下工作的性能很高。但是工艺步骤比较多，制作成本比正装芯片要高。美国Cree公司是该技术路线的代表，已经开始量产1W电功率下光效达200 lm/W的白光LED器件(非传统1×1 mm2尺寸的芯片)。其关键的技术包括：

(1)衬底剥离

对于Si衬底，一般采用湿法腐蚀的方式去掉衬底即可。而对于蓝宝石或者SiC衬底则一般采用激光剥离技术进行分离，它是将紫外激光聚焦到衬底和LED的界面处，让GaN吸收激光紫外的能量生成液态Ga和N2从而使衬底与GaN外延层分离。该技术可以一次剥离整片衬底，效率很高，但是需要尽可能避免激光对LED外延层造成的损伤。

(2)表面粗化

激光剥离后的n-GaN表面是粗糙的N极性面，将其浸泡于加热的KOH溶液之中，KOH可以腐蚀GaN表面形成随机排布的金字塔结构，这种结构十分利于光的散射。该技术的专利掌握在UCSB中村小组手中，但许多厂商实际都在使用相同的技术。

3.倒装芯片

蓝宝石衬底是限制正装LED芯片散热的主要因素，美国Lumileds公司率先在业界开发了基于Si基热沉的倒装芯片结构。它首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸LED芯片，同时制备出相应尺寸的硅底板并在其上制作出供共晶焊接的金导电层及引出导电层，然后利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片倒扣后与硅底板焊接在一起，光从蓝宝石衬底的背面出射，热量通过电极焊料从Si基热沉导走。

这样的结构较为合理，即考虑了出光问题又考虑到了散热问题，适合制作大功率LED。当蓝宝石衬底的激光玻璃技术发展起来后，曾经一度认为倒装芯片是一种介于正装芯片和垂直结构芯片之间的过渡技术。在大多数企业放弃倒装结构的时候，Lumileds公司依然坚持了这种技术路线，即使能够将蓝宝石衬底剥离掉也还是保留了共面电极的设计。

这种倒装结构在chip on board(COB)技术发展起来以后又重新回归到人们的视野中。COB技术是在陶瓷基板上采用印刷电路的方式制备出已经设计好串并联电路的若干芯片电极焊点，将LED倒装芯片一颗颗依次焊接在board上实现大功率的器件。这种设计简化了封装，实现了大功率器件的小型化，为照明灯具的设计提供了便利。

4.高压交/直流驱动LED

单颗LED芯片工作于低压直流状态下，为了适用220 V的市电，LED照明光源需要配套相应的驱动电源。但是将220 V高压变为3 V左右低压的电源转换效率不够高，同时寿命受限于电解电容，在实际使用中存在许多问题。

在芯片层面实现多颗LED小芯片的串并联可使得LED工作在更高的驱动电压下，主要有两种思路。一种是利用LED作为二极管的整流特性，将多颗LED小芯片组成电桥结构，直接采用220 V交流电驱动LED，这种方式的优点是省去了变压器，但是每半个周期只有部分LED点亮，因此效率不高。

另一种是将多颗LED小芯片串联起来，采用高压直流电驱动。这种方式依然需要电源适配器，但是由于变压后的电压是几十伏，所以驱动电源的效率高，可靠性也高，相比传统方式还是有所改善。因此，高压直流驱动LED芯片目前是韩国和台湾厂商研究的一个热点。

以上对目前的LED材料外延和芯片工艺的关键技术以及发展状况进行了概括。在各国企业和研究机构的大力投入下，LED材料和芯片技术已经比较成熟，芯片的光效已经不再是限制LED照明应用的主要瓶颈。

半导体照明技术下一步的发展是在尽可能降低成本的同时提供比传统照明更好的光色品质和人眼舒适度。这对LED材料和芯片提出了新的要求，如果高效率和高显色指数的无荧光粉单芯片白光LED能够实用化，则无疑是对半导体照明技术的一项颠覆性革命。-上海科锐光电发展有限公司邵嘉平


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