垂直結(jié)構(gòu)LED——半導體照明發(fā)展的趨勢

　　1、引言

　　目前，全球已步入“節(jié)能時代”，各國都在積極尋找節(jié)能環(huán)保的新興產(chǎn)業(yè)，照明消耗的能源占全部能源消耗的20%以上，因此，降低照明用電是節(jié)省電力的重要途徑。LED節(jié)能燈是新一代固體冷光源，具有低能耗、壽命長、易控制、安全環(huán)保等特點，是理想的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，適用各種照明場所。然而，目前LED還未大規(guī)模進入普通照明，其主要原因之一是由于LED的性價比（lm/$）太低，市場需要快速提高LED性價比的方案。提高LED性價比的途徑主要有兩條，一是提高LED的發(fā)光效率，二是降低LED的生產(chǎn)成本。但是，效率的提升以及成本的下降的速度，還是達不到市場對LED性價比的期待。然而垂直結(jié)構(gòu)LED能夠保證在一定的發(fā)光效率的前提下，采用較大的電流去驅(qū)動，這樣一個垂直結(jié)構(gòu)LED芯片可以相當于幾個正裝結(jié)構(gòu)芯片，折合成本只有正裝結(jié)構(gòu)的幾分之一。因此，垂直結(jié)構(gòu)LED必然會加速LED應用于普通照明領(lǐng)域的進程，是市場所向，是半導體照明發(fā)展的必然趨勢。

　　2、GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED的優(yōu)勢

　　從LED的結(jié)構(gòu)上講，可以將GaN基LED劃分為正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)。目前比較成熟的III族氮化物多采用藍寶石材料作為襯底，由于藍寶石襯底的絕緣性，所以普通的GaN 基LED 采用正裝結(jié)構(gòu)。正裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，有源區(qū)發(fā)出的光經(jīng)由P 型GaN區(qū)和透明電極出射。該結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝相對成熟。然而正裝結(jié)構(gòu)LED有兩個明顯的缺點，首先正裝結(jié)構(gòu)LED p、n 電極在LED 的同一側(cè)，電流須橫向流過n-GaN 層，導致電流擁擠，局部發(fā)熱量高，限制了驅(qū)動電流；其次，由于藍寶石襯底的導熱性差（35Ｗ/(m?K)），嚴重的阻礙了熱量的散失。

　　為了解決散熱問題，美國Lumileds Lighting 公司發(fā)明了倒裝芯片（Flipchip）技術(shù)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，這種方法首先制備具有適合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同時制備相應尺寸的硅底板，并在其上制作共晶焊接電極的金導電層和引出導電層（超聲波金絲球焊點）。然后，利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片與硅底板焊在一起。到裝結(jié)構(gòu)在散熱效果上有了很大的改善，但是通常的GaN基到裝結(jié)構(gòu)LED仍然是橫向結(jié)構(gòu)，電流擁擠的現(xiàn)象還是存在，仍然限制了驅(qū)動電流的進一步提升。

　　垂直結(jié)構(gòu)可以有效解決正裝結(jié)構(gòu)LED的兩個問題，垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED采用高熱導率的襯底（Si、Ge以及Cu等襯底）取代藍寶石襯底，在很大程度上提高了散熱效率；垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的兩個電極分別在LED外延層的兩側(cè)，通過圖形化的n電極，使得電流幾乎全部垂直流過LED外延層，橫向流動的電流極少，可以避免正裝結(jié)構(gòu)的電流擁擠問題，提高發(fā)光效率，同時也解決了P極的遮光問題，提升LED的發(fā)光面積。

　　3、垂直結(jié)構(gòu)LED的制作方法

　　GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED工藝與正裝結(jié)構(gòu)LED工藝的最大差異在于，垂直結(jié)構(gòu)LED需要引入襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)。所謂襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)是指用高熱導率與高電導率的新襯底取代原有的生長襯底。具體的步驟分為兩步，首先采用晶片鍵合的方法或者電鍍的方法將新襯底與外延片粘合在一起，然后再利用激光剝離、研磨以及濕法腐蝕等方法將原生長襯底去掉。

　　4、GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED的發(fā)展狀況

　　當前全球幾大LED廠商，比如，美國Cree公司、德國Osram公司、美國Philips Lumileds公司、美國SemiLEDs都擁有自己GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED產(chǎn)品。此外，日本、韓國、臺灣以及國內(nèi)各大LED廠商都在積極開發(fā)GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED芯片工藝。

　　4.1國外GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)展狀況

　　美國Cree公司是目前世界上采用SiC作為襯底材料制造藍光發(fā)光二極管用外延片和芯片的專業(yè)公司之一，該公司采用襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)將發(fā)光層轉(zhuǎn)移在Si襯底上，有效地解決了芯片的散熱問題和提高出光效率的問題。2006 年8 月，該公司推出EZBright 大功率LED 芯片，該芯片結(jié)構(gòu)示意圖如圖6 所示。在350mA 電流下，該芯片的光功率可達到370mW。Cree公司的功率LED芯片產(chǎn)品EZ系列采用薄膜芯片技術(shù)已經(jīng)達到業(yè)界領(lǐng)先的光效水平，據(jù)2011年5月的報道顯示，Cree的白光LED器件研發(fā)水平已經(jīng)達到231 lm/W，這是功率型白光LED有報道以來的最好成績。

　　2007 年初，Lumileds 公司推出了薄膜倒裝（TFFC）LED 產(chǎn)品，實際上薄膜倒裝結(jié)構(gòu)也是垂直結(jié)構(gòu)LED的一種。由于技術(shù)的進步，使該產(chǎn)品可在任何環(huán)境中都能表現(xiàn)出最佳性能。使用TFFC技術(shù)的Luxeon K2 是專門為在1000mA 電流下工作而進行設計、分檔和檢測的LED。封裝后LED 的熱阻僅為5.5℃/W，熱阻的降低使LED 可在更高電流下工作，降低了熱量管理設計的投入和成本。經(jīng)分檔和測試的產(chǎn)品（光輸出最小為160lm，1A 驅(qū)動電流）其光輸出在更高驅(qū)動電流下很容易就超過了220lm。

　　德國Osram公司對比了四種結(jié)構(gòu)的GaN基LED的光提取效率，其中“ThinGaN”芯片實際上就是垂直結(jié)構(gòu)LED。該公司采用晶片鍵合與剝離技術(shù)將LED發(fā)光層轉(zhuǎn)移到新襯底（GaAs襯底或Ge襯底）上。從圖8可以看到，采“ThinGaN”芯片光提取效率最高達到75%，這說明薄膜結(jié)構(gòu)LED 在光提取方面具有很大的優(yōu)勢。在產(chǎn)品方面，該公司于2007年開始銷售可發(fā)出1000lm 光通量的白色LED“OSTAR Lighting”的最新版。該產(chǎn)品在輸入功率為27W（工作電流700mA）時，可得到1000lm 的光通量，此時的發(fā)光效率約為37lm/W。把工作電流減小至350mA 時，發(fā)光效率可提高至75lm/W。以往的OSTAR Lighting 的光通量在27W 輸入功率時約為600lm。此外，該公司還推出“Diamond DRAGON” 白色LED，該產(chǎn)品在工作電流為1.4A 時，可獲得250lm的光通量，產(chǎn)品壽命為5萬小時以上。

　　美國SemiLEDs 公司成立于2004 年，是繼Osram和Cree之后，采用襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)商品化生產(chǎn)GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED的廠商。該公司首先推出金屬Cu 基底的GaN基LED。

　　4.2國內(nèi)GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)展狀況

　　國內(nèi)北京大學最早開展GaN基垂直結(jié)構(gòu)的研發(fā)，此后從研究機構(gòu)到各大LED公司都陸續(xù)開展此方面的研發(fā)工作。同方光電于2008年開始涉足垂直結(jié)構(gòu)LED的研發(fā)，經(jīng)過兩年多的努力，已經(jīng)積累了一套Cu襯底電鍍、整平以及藍寶石剝離的完整技術(shù)。目前制作的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，封裝白光后效率可達到100lm/W以上。LED行業(yè)在經(jīng)歷了“337調(diào)查案”之后，專利也將成為競爭的焦點。目前，同方光電擁有垂直結(jié)構(gòu)芯片制造專利10多項，已經(jīng)有三項獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局授權(quán)，兩項獲得臺灣專利局授權(quán)，一項獲得美國專利局授權(quán)，為開展垂直結(jié)構(gòu)的研發(fā)與生產(chǎn)奠定了良好基礎。

　　5、結(jié)語

　　垂直結(jié)構(gòu)LED憑借它適宜在大驅(qū)動電流下工作而獲得高流明輸出功率的優(yōu)勢，從而可獲得高的性價比。因此，GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED是市場所向，是半導體照明發(fā)展的必然趨勢，必將逐步成為主流產(chǎn)品。當前，幾家國際大廠已實現(xiàn)量產(chǎn)，國內(nèi)各廠雖然都紛紛開展研發(fā)工作，但是還沒一家達到真正的量產(chǎn)水平。同方光電目前生產(chǎn)的垂直結(jié)構(gòu)芯片，封裝后其發(fā)光效率可達100lm/W以上。