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免除蓝宝石衬底垂直设计提升LED的性能

导读: GaN LED被广泛的应用在手机键盘、背光元件、照相机闪光灯、全色户外显示等领域,但是,它们的输出功率还不足以引人注目地渗入固态照明市场。这首先是因为LED相关的不良热处理特性以及不能在高亮度辐射所需要的高注入电流状态下正常工作。

作者:Trung Doan SemiLEDs公司

GaN LED被广泛的应用在手机键盘、背光元件、照相机闪光灯、全色户外显示等领域,但是,它们的输出功率还不足以引人注目地渗入固态照明市场。这首先是因为LED相关的不良热处理特性以及不能在高亮度辐射所需要的高注入电流状态下正常工作。
 


图.采用金属合金衬底技术,SemiLEDs面积仅1mm2的GaN LED能产生80lm/W的全彩输出。由于n-GaN层增强的电流传播模式,光辐射模式非常一致。

不过,按照SemiLEDs公司最先提出的方法,通过将GaN LED生长在电导和热导性衬底上,这一问题得以解决。我们生长在金属衬底上的垂直LED(VLEDMS)使用了低成本大规模的生长过程,利用一种新型垂直设计,以金属合金衬底为主要特征。这些辐射器给出了传统和倒装LED设计所没有(图1)的许多优点,能够在350mA的驱动电流下提供75lm/W的发光效率,这也是迄今为止的最高输出功效之一。



图.SemiLEDs有超过20项倍受保护的专利技术,并用来设计、开发、制造和出售高亮度的LED。公司总部在美国硅谷的Milpitas,在台湾Hsinchu Science Park也有分部。

蓝宝石的缺点
源于生长在蓝宝石衬底上滋生的不良热性能和电学性能,这影响了传统的GaN LED的发光效率。蓝宝石的热导率仅仅只有35W/mK(图2),这限制了LED的工作电流。而材料也是一种绝缘体,n型接触无法附着在衬底的背面,只能成形在n型层的顶部。这意味着有源层必须从芯片上刻蚀,这将使辐射强度减弱20-30%。在其顶部一侧拥有两种接触的LED也会导致电流经过n型GaN层传输,这将会造成电流拥堵以及更高的动态阻抗从而提高器件温度。
传统的GaN LED还会由于在p型GaN层中的低电流分布而遭遇不均匀光辐射。这个缺点能够通过半透明接触层或者器件横向电流的交叉电极阵列而得到克服。但是,半透明层也会吸收掉一些芯片的辐射从而降低输出功率。
 


图1.通过使用垂直结构和在器件的背面使用n型和p型电极的金属合金衬底(c),SemiLEDs解决了几个限制传统晶片(a)和倒装晶片(b)LED性能的问题,比如电流拥堵和器件发热等。

正是这些缺点使得最主要的LED制造商比如Lumileds转而使用倒装晶片结构的设计。但是,为了形成n型接触,这种方法仍然需要从p-GaN和激活层刻蚀材料,这再次减小了辐射范围。电流从阳极传到阴极仍然沿着n-GaN层,这意味着电流拥堵和更高的动态阻抗问题仍然不可避免。
相对于传统结构,倒装晶片LED的一个好处就是提高了散热能力,并且产生更高的抽取效率,这部分归因于有图案的或者起纹理的蓝宝石表面,但是这种结构的产生非常复杂。

 


图2.在所有被用来制造GaN LED的常用衬底中,蓝宝石的热导率最低。如果说Cree采用SiC衬底是一个创举,SemiLEDs采用金属合金衬底更加可取。


SemiLEDs的VLEDMS方法克服了许多制约传统和倒装晶片LED性能的缺点。例如,这种方法不需要刻蚀任何材料来形成n型电极,相对于同等尺寸生长在蓝宝石衬底上的LED,这将会增强辐射能力。同时,由于电流是在垂直方向上经过器件,电流拥堵也可以避免,动态阻抗也明显减弱。

免除蓝宝石衬底的优势
我们的芯片结构也提高了器件中的电流分布。芯片可以在不降低性能的前提下拥有较大的尺寸,并避开对减弱输出效率的半透明传导层的需要。
除此之外,由于铜合金衬底有更高的热导率,我们的VL DMS结构比传统的和倒装晶片结构的LED更具有效的散热性,这提高了它们的最大工作电流和输出功率,使得LED更加适于固态照明设备应用。
我们所制作的VLEDMS结构显示在图3,该LED芯片的面积仅1mm2,拥有蓝光、绿光和紫外三种颜色。通过使用外延沉积技术——我们正在申请中的专利技术——这些LED沿着一个新的结构生长在蓝宝石衬底上,该结构能够使蓝宝石剥离。当LED在金属合金衬底上成形之后,n-GaN表面就形成图案来减小由于全内反射造成的损失。
 


图3.(边)SemiLEDs的垂直结构LED包含一个直接沉积在金属合金衬底上的镜子、0.2μm厚的p-GaN/p-AlGaN层,一个InGaN/GaN多层量子阱激活区以及一个4μm厚的n-GaN层。

相比于传统的LED,VLEDMS拥有非常好的电流-电压(I-V)特性,即在350mA的驱动电流下,正向电压将产生一个0.2伏的衰减。由于采用了垂直电流路径以及具备了更大的p-GaN接触面积,这些LED的动态阻抗是0.7Ω,相比于传统的长在蓝宝石衬底上的GaN LED,其动态阻抗是1.1欧姆。这些优势提高了VLEDMS的输出效率,使其胜于传统的设计。
在较高的注入电流下,LED亮度的增强是特别有意义的(图4)。传统辐射器的输出在1000mA左右达到峰值,由于非常差的热分散能力导致器件退化,然后随着电流增加而迅速下降。
 


图4.SemiLEDs LED产生了高于基于蓝宝石衬底的GaN LED的输出功率,特别是在驱动电流高于1000mA时。

与之相反,金属合金衬底具有优良的热导性,在通以3000mA或更高的电流条件下,VLEDMS仍不会产生光输出功率饱和现象。

性能和尺寸无关
通过制造一系列不同尺寸的芯片来测量它们在单位面积上的输出,我们示范了VLEDMS极好的比例特性(图5)。传统基于蓝宝石衬底的LED,其功效在大尺寸芯片上会显著下降,相反这个问题不会影响到VLEDMS的性能。
 


图5.SemiLEDs的垂直LED能够达到更大的尺寸而不会降低性能,因而成为固态照明设备的最佳选择。功率以350μm大小的芯片为标准。

图6给出了在1mm2 VLED-MS芯片上的可靠性测试结果。测试条件包括:芯片采用硅树脂填充剂并贴装到一块热沉上进行封装;驱动电流分别350mA和700mA,周围环境温度在65℃以下,结温最大可达120℃。测试结果表明,VLEDMS芯片产生的光输出可等同于一个发光效率大于75lm/W的白光LED,并且在很长时间内才略有下降,在测试进行2000小时之后该变化保持在10%以内。在室温下(大多数器件的工作环境温度),我们没有发现光输出的退化现象。
这证明了器件的可靠性,结合极好的散热性能以及典型的75lm/W甚至更多的发光效率,更清晰地阐明了这些器件胜于传统LED的优势。目前该款LED已经正在大量生产,每流明100美元以上,为固态照明市场提供一个绝佳的选择。
 


图6.这些可靠性测试证明了SemiLEDs器件的长期可靠性。测试是在一个封闭且工作温度稳定的环境中进行。

作者简介
Trung Doan(Trung.doan@semileds.com)是SemiLEDs公司的主席兼CEO,同时也是该公司的创始者之一。他曾担任过Micron Technology(美芯科技)的工艺开发副总裁,以及Jusung Engineering Ltd.总裁兼CEO和应用材料公司AGS产品部的副总。他拥有200多项专利,还有更多的正在申请中。
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