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垂直结构LED——半导体照明发展的趋势

导读: 垂直结构LED必然会加速LED应用于普通照明领域的进程,是市场所向,是半导体照明发展的必然趋势。

   1、引言

  目前,全球已步入“节能时代”,各国都在积极寻找节能环保的新兴产业,照明消耗的能源占全部能源消耗的20%以上,因此,降低照明用电是节省电力的重要途径。LED节能灯是新一代固体冷光源,具有低能耗、寿命长、易控制、安全环保等特点,是理想的节能环保产品,适用各种照明场所。然而,目前LED还未大规模进入普通照明,其主要原因之一是由于LED的性价比(lm/$)太低,市场需要快速提高LED性价比的方案。提高LED性价比的途径主要有两条,一是提高LED的发光效率,二是降低LED的生产成本。但是,效率的提升以及成本的下降的速度,还是达不到市场对LED性价比的期待。然而垂直结构LED能够保证在一定的发光效率的前提下,采用较大的电流去驱动,这样一个垂直结构LED芯片可以相当于几个正装结构芯片,折合成本只有正装结构的几分之一。因此,垂直结构LED必然会加速LED应用于普通照明领域的进程,是市场所向,是半导体照明发展的必然趋势。

  2、GaN基垂直结构LED的优势

  从LED的结构上讲,可以将GaN基LED划分为正装结构、倒装结构和垂直结构。目前比较成熟的III族氮化物多采用蓝宝石材料作为衬底,由于蓝宝石衬底的绝缘性,所以普通的GaN 基LED 采用正装结构。正装结构示意图如图1所示,有源区发出的光经由P 型GaN区和透明电极出射。该结构简单,制作工艺相对成熟。然而正装结构LED有两个明显的缺点,首先正装结构LED p、n 电极在LED 的同一侧,电流须横向流过n-GaN 层,导致电流拥挤,局部发热量高,限制了驱动电流;其次,由于蓝宝石衬底的导热性差(35W/(m?K)),严重的阻碍了热量的散失。

  为了解决散热问题,美国Lumileds Lighting 公司发明了倒装芯片(Flipchip)技术。其结构示意图如图2所示,这种方法首先制备具有适合共晶焊接的大尺寸LED芯片,同时制备相应尺寸的硅底板,并在其上制作共晶焊接电极的金导电层和引出导电层(超声波金丝球焊点)。然后,利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊在一起。到装结构在散热效果上有了很大的改善,但是通常的GaN基到装结构LED仍然是横向结构,电流拥挤的现象还是存在,仍然限制了驱动电流的进一步提升。

  垂直结构可以有效解决正装结构LED的两个问题,垂直结构GaN基LED采用高热导率的衬底(Si、Ge以及Cu等衬底)取代蓝宝石衬底,在很大程度上提高了散热效率;垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧,通过图形化的n电极,使得电流几乎全部垂直流过LED外延层,横向流动的电流极少,可以避免正装结构的电流拥挤问题,提高发光效率,同时也解决了P极的遮光问题,提升LED的发光面积。

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