免除藍(lán)寶石襯底垂直設(shè)計(jì)提升LED的性能

GaN LED被廣泛的應(yīng)用在手機(jī)鍵盤、背光元件、照相機(jī)閃光燈、全色戶外顯示等領(lǐng)域，但是，它們的輸出功率還不足以引人注目地滲入固態(tài)照明市場(chǎng)。這首先是因?yàn)長(zhǎng)ED相關(guān)的不良熱處理特性以及不能在高亮度輻射所需要的高注入電流狀態(tài)下正常工作。

圖.采用金屬合金襯底技術(shù)，SemiLEDs面積僅1mm2的GaN LED能產(chǎn)生0lm/W的全彩輸出。由于n-GaN層增強(qiáng)的電流傳播模式，光輻射模式非常一致。
不過，按照SemiLEDs公司最先提出的方法，通過將GaN LED生長(zhǎng)在電導(dǎo)和熱導(dǎo)性襯底上，這一問題得以解決。我們生長(zhǎng)在金屬襯底上的垂直LED（VLEDMS）使用了低成本大規(guī)模的生長(zhǎng)過程，利用一種新型垂直設(shè)計(jì)，以金屬合金襯底為主要特征。這些輻射器給出了傳統(tǒng)和倒裝LED設(shè)計(jì)所沒有（圖1）的許多優(yōu)點(diǎn)，能夠在350mA的驅(qū)動(dòng)電流下提供75lm/W的發(fā)光效率，這也是迄今為止的最高輸出功效之一。

圖.SemiLEDs有超過20項(xiàng)倍受保護(hù)的專利技術(shù)，并用來設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造和出售高亮度的LED。公司總部在美國(guó)硅谷的Milpitas，在臺(tái)灣Hsinchu Science Park也有分部。

藍(lán)寶石的缺點(diǎn)
源于生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上滋生的不良熱性能和電學(xué)性能，這影響了傳統(tǒng)的GaN LED的發(fā)光效率。藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率僅僅只有35W/mK（圖2），這限制了LED的工作電流。而材料也是一種絕緣體，n型接觸無法附著在襯底的背面，只能成形在n型層的頂部。這意味著有源層必須從芯片上刻蝕，這將使輻射強(qiáng)度減弱20-30%。在其頂部一側(cè)擁有兩種接觸的LED也會(huì)導(dǎo)致電流經(jīng)過n型GaN層傳輸，這將會(huì)造成電流擁堵以及更高的動(dòng)態(tài)阻抗從而提高器件溫度。
傳統(tǒng)的GaN LED還會(huì)由于在p型GaN層中的低電流分布而遭遇不均勻光輻射。這個(gè)缺點(diǎn)能夠通過半透明接觸層或者器件橫向電流的交叉電極陣列而得到克服。但是，半透明層也會(huì)吸收掉一些芯片的輻射從而降低輸出功率。

圖1.通過使用垂直結(jié)構(gòu)和在器件的背面使用n型和p型電極的金屬合金襯底（c），SemiLEDs解決了幾個(gè)限制傳統(tǒng)晶片（a）和倒裝晶片（b）LED性能的問題，比如電流擁堵和器件發(fā)熱等。

正是這些缺點(diǎn)使得最主要的LED制造商比如Lumileds轉(zhuǎn)而使用倒裝晶片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。但是，為了形成n型接觸，這種方法仍然需要從p-GaN和激活層刻蝕材料，這再次減小了輻射范圍。電流從陽極傳到陰極仍然沿著n-GaN層，這意味著電流擁堵和更高的動(dòng)態(tài)阻抗問題仍然不可避免。
相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，倒裝晶片LED的一個(gè)好處就是提高了散熱能力，并且產(chǎn)生更高的抽取效率，這部分歸因于有圖案的或者起紋理的藍(lán)寶石表面，但是這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生非常復(fù)雜。

圖2.在所有被用來制造GaN LED的常用襯底中，藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率最低。如果說Cree采用SiC襯底是一個(gè)創(chuàng)舉，SemiLEDs采用金屬合金襯底更加可取。


SemiLEDs的VLEDMS方法克服了許多制約傳統(tǒng)和倒裝晶片LED性能的缺點(diǎn)。例如，這種方法不需要刻蝕任何材料來形成n型電極，相對(duì)于同等尺寸生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的LED，這將會(huì)增強(qiáng)輻射能力。同時(shí)，由于電流是在垂直方向上經(jīng)過器件，電流擁堵也可以避免，動(dòng)態(tài)阻抗也明顯減弱。

免除藍(lán)寶石襯底的優(yōu)勢(shì)
我們的芯片結(jié)構(gòu)也提高了器件中的電流分布。芯片可以在不降低性能的前提下?lián)碛休^大的尺寸，并避開對(duì)減弱輸出效率的半透明傳導(dǎo)層的需要。
除此之外，由于銅合金襯底有更高的熱導(dǎo)率，我們的VL

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