高压系列LED芯片的研究

1、咼压系列led芯片的研究洪建明8,李晓云皿1. 天津工业大学电子与信息工程学院天津市300387;2. 天津工业大学半导体照明工程研发中心，天津市300387；3. 天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心，天津市300387research of high voltage series light-emitting diode chiphong jianmingw，li xiao-yun1*231 .tianjin polytechnic university school of electronics and information engineeringtianjin 30

2、0387; 2. engineering research center of solid state lighting, tianjin polytechnicuniversity, tianjin 300387； 3. engineering research center of high power solid state lightingapplication system ministry education* tianjin, 300387摘要，目前市场匕有两种高压系列led芯片，一种是用于市电的交流led芯片，另一种 是可以外加整流桥接入市电的高压led芯片。它们是多个微晶粒单元

3、(cells)集成的单芯 片，可以承受更高的电压，每个微晶粒单元具有传统垂直低压直流led结构，由于芯片内 部cell的连接结构不同，它们的发光效率与工作方式也有差别。它们的制作工艺与传统垂直 低压直流led也有所不同。关键词：交流led；高压led；垂直低压直流led：发光效率；制作工艺abstract: currently on the market, there are two high voltage series led chips, one is the alternating current led chip (ac-led), which can be driven direc

4、tly by the recent alternating current (ac) power source, the other is the high-voltage led chip (hv-led). only if the chip connects an external bridge rectifier, it can be driven by alternating current. they are a number of microchip cells integrated single-chip and can withstand higher voltages; th

5、e structure of each microchip cell is the same as that of the traditional vertical low voltage dc-led. the cells are designed at two different series arrays, so there are some difierences at drive modes and light efficiency. their production process is also different from the traditional vertical lo

6、w voltage dc power led.keywords： ac-led; hv-led; vertical low voltage dc-led; light efficiency; production process0引言最近几年由于技术及效率的进步，led 的应用越来越广泛。随着led应用的升级, 市场对于led的需求，也朝更大功率及更 高亮度，也就是通称的大功率led方向发 展。对于大功率led的设计，目前各大厂 商多以大尺寸单颗低压dc-led为主，这样 的led照明光源内都必须附加交流转直流 (ac/dc)的电源转换系统，这是必须付出的 成本在当前照明领域中，led灯仍不被

7、视 为主流性产品，关键点在于其售价仍旧偏 高。led灯价格高昂的原因，除了芯片本身 的价格较高之外，尚需要考虑外加交流直流 转换电源及散热部件的成本等因素。此外， 用于普通低压直流led的交直流转换效率 偏低，对电能也是一种浪费，于是从降低成 本和节约能源两方面考虑，一种能直接接入 市电led,成为市场的迫切需求，近年来得 到了广泛的关注和研究.1.传统低压dc-led结构具有垂直导电结构普通低压dc-led, 以gan基led为例：压，同时避免了 cob结构芯片间bin内如 波长、电压、亮度跨度带来的一致性问题。2用于市电led芯片的结构及工艺根据cell串连结构的不同，目前用于市 电高压系

8、列led可分为直接接入市电 ac-led与带有桥式整流器hv-led两种。图1垂直gan基结构dc-led示意图及其工作电流流向figure 1 a schematic structure of avertical-type gan-base light-emitting diode(led) and its operating current direction图2釆用集成封装结构led俯视图figure 2 cob led package top view垂直结构的氮化谋基led的两个电极 分别在氮化银基led的两侧（图1）,由于 图形化电极和全部的p类型gan层作为第 二电极，使得电流几

9、乎全部垂直流过氮化镣 基外延层，没有横向流动的电流。因此，电 阻降低，没有电流拥塞，电流分布均匀，充 分利用发光层的材料，电流产生的热量减 小，电压降低，抗静电能力提高，改进后使 用具有高热导率的支持衬底的垂直结构的 氮化稼基led还具有导热性能髙的优点 1420传统dc-led芯片是在大电流低电压 下工作，为提升使用电压，一般采用集成封 装（cob）结构叫即多颗芯片串并联，如图2 所示。用于市电的高压系列led芯片也采 用垂直结构的制作工艺，具有垂直结构的优 点,电流分布均匀等特点，与cob结构led 不同的是将单颗led晶片进一步分割成多 个cell以某种特殊的结构串并连而成。这 样由多个

10、二极管发光cell串连集成的结构比 大尺寸单颗低压doled承受更高工作电图3桥式acled工作原理图figure 3 an electrical scheme of the wheatstone bridge type led lamp for ac operation图4桥式ac led晶粒排列照片与示意图figure 4 a photogrq)hy of an ac-led chip with number of micro-led grains in a wheat stone bridge type array and its schematic.ac-led光源的工作原理如图3,将

11、一 堆led超细晶粒采用交错的矩阵式排列工 艺均分为五串（如图3）, led晶粒串组成 类似一个整流桥，整流桥的两端分别联接交 流源，另两端联接一串led晶粒，交流的 正半周沿蓝色通路流动，3串led晶粒发 光，负半周沿绿色通路流动，又有3串led 晶粒发光，四个桥膏上的led晶粒轮番发 光，相对桥臂上的led晶粒同时发光，中 间一串led晶粒因共用而一直在发光。在 60hz的交流中会以每秒60次的频率轮替点 亮。整流桥取得的直流是脉冲直流，led的 发光也是闪动的,led有断电余辉续光的特 性，余辉可保持几十微秒，因人眼对流动光 点记忆是有惰性的，结果人眼对led光源的发光+余辉的工作模式解

12、读是连续在发光ac-led的双向导通模式避免了静电 放电问题，但这种led不仅结构复杂而且 单位面积芯片利用率低，发光效率低囚。在 单位周期内每半个工作周期有一部分桥借 上的单元晶粒是不工作的，这会降低整个光 源的发光效率，同时这些不工作的单元将承 受一个高的反向电压，在市电几十赫兹工作 频率下，容易破坏这些单元，降低环光源 的寿命忙因此为了进一步提高单位面积芯 片利用率，提高发光效率，延长整个光源的 寿命，研究人员提出一种高压led芯片结 构.2.2带有整流电路的hv-led芯片高压发光二极管(hvled)作为大功率 led的解决方案，其基本架构和ac-led 相同，不同的是将晶片面积分割成

13、多个cell 之后串联(如图6b),然后将其接在芯片内 部桥式整流结构的中心，整流桥只整流不参 与发光考虑到单位供电周期内每组桥臂 都需要承受一次方向高压，容易是桥臂遭到 破坏，为了提高可靠性也可外界硅整流器芯 片。比起上述的agled芯片，这种芯片结 构简单，同时提高了单位面芯片利用率.发 光效率及芯片可靠性，能够依照不同输入之 电压的需求而决定其ceu数量、大小等，对 于离压芯片也可以自由搭配，以形成不同色 温的光，满足不同使用需求，做到客户化的 服务。可以针对每颗cell加以优化，因此能 够得到较佳的电流分布，进而进一步提高发图5交流电压驱动下hv-led的电压与电流 波形示意图figu

14、re 5 voltage and cunent waveforms for a purely ac voltage generator driven hv-led chip图6(a)市电直接驱动的hv4led电路原理图 6(b) hv-led芯片电路结构图6(c)集成电路驱动的hv-led电路原 理图figure 6(a) an electrical scheme of the ac derived hv-led lan).6(b)a circuit diagrams of a micro-led series for high-voltage operation 6(c) an electr

15、ical scheme of the ic derived hv-led lamp.如图6a,市电直流驱动】，将市电220 伏整流，就变成了 100赫兹的脉冲直流，就 可以直接提供给led灯使用，可以不加滤 波电解电容，这是因为led芯片pn结是面 接触，本身是有结电容的，它的电容量根据 芯片的大小而不同，一般在几十到几百微微 法,所以led本身就有滤波作用。可利用 外加triac电路，增加调光应用。但与acled芯片类似，如图5所示， 采用市电接入的hv-led芯片每串晶粒在 电压达到led发光开启电压之后才会发光, 因而发光时间有限，而且电流以脉冲直流的 状态工作，因此功率因数(power

16、 factor)不 是很高，这就需要开发能够弥补这一缺陷的 拓补电路叫也可以外加整流电路与集成高压直流 驱动电路，用于高压定直流中(如图6c)l，4o 就两种驱动方式比较而言，前者具有功 率因数0.9,功效通常低于75%,因为是直接 高压驱动，要有接入安全考虎,没有集成电路 驱动电路，成本较低；后者的功率因0.5,功 效通常85%,没有闪烁.工作稳定性高， 没有接入安全问题考虑.2.3高压系列led芯片的工艺关键它们都采用垂直结构的制作工艺，前端 工艺与大尺寸单颗低压dc-led相同，不同 的是在完成前端工艺后，还需要利用刻蚀工 艺将led芯片进一步分割成多个cell,并在 沟槽上淀积绝缘层，

17、然后淀积透明接触电 极,鼓后通过淀积金属导线将多个cell串连, 如图7所示因此这里就涉及到形响芯片电 气性能的三个关键工艺步骤"linterconnection图7多单元串连集成单片led的结构原理图figure 7 a schematic structure of a monolithically integrated led series array第一是沟槽(trench)的刻蚀。如图6,刻 蚀沟槽的目的在于将复数颗的晶胞独立开 来，因此其沟槽下方需要达到绝缘的基板， 其深度依不同的外延结构而异，一般约在 48um,沟槽宽度方面则无一定的限制，但 是沟槽刻蚀的太宽代表着有效发

18、光区域的 减少，将彩响ac-led与hv-led的发光 效率表现，因此需要开发髙深宽比的工艺技 术，缩小工艺线宽以增加发光效率，比较常 用的杲干法刻蚀与电感耦合等离子体刻蚀第二是绝缘层(isolation)的淀积，如图 6,若淀积的绝缘层不具备良好的绝缘特性, 将使整个设计失败，其困难点在于必须在离 深宽比的沟槽上淀积包覆性良好、膜质紧密 及绝缘性佳的膜层通常采用等离子增强化学气相淀枳在绝缘层上淀积一层500nm厚 的si6srabttrate图8多单元串连集成倒装设计的单片led的结构原理图figure 8 a schematic structure of amonolithically i

19、ntegrated flip-chip designled series array第三是单元间互连导线(interconnection) 的淀积如图6, 般而言，要做到良好的 连结，导线在跨接时需要一个相对平坦的表 面，一个深邃的阶梯状结构将使得导线结构 薄弱，在髙电压、髙电流驱动下易产生毁损， 造成芯片的失效，因此平坦化工艺的开发就 变得重要。理想的状态是在做绝缘层时，能 一并将深逮的沟槽予以平坦化，使互连导线 得以平顺连接。如图8所示，这里提出一种 将这一 led芯片与si基键合的倒装工艺， 通过在si基板上淀积金加连接导线，利用 回流焊工艺在每个cell的接触电极与si基上 的金属导线

20、之间连接金属球，实现多个cell 串连，形成倒装结构，让光从透明的衬底发 出，进一步提高led发光效率，散热性能， 同时避免了为提髙金属互连可靠性平坦化 工艺，更好的实现金属互连3 hv-led的优势它不仅仅能够应用于高压定直流 (constant dc)中，只要外接桥式整流器，也 能够应用于交流环境，非常具有弹性。在外 部接桥式整流电路可设计于交流下操作，这 样不仅减少交流转直流(ac/dc)的电源转换 系统中功率损失，同时大大降低附加外围电 路的制作成本。在高电压直流的应用中，输 入和输出压差越低，ac到dc的转换效率 就越臥可见采用hv-led,变压器的效率 就可以得到大大提高，从而可大

21、幅降低 ac-dc转换时的功率损失"】，这一热耗减 少又可进一步降低散热外壳的成本.在相同的输出功率下它的效率优于传 统低压直流发光二极管与ac-led,主要可 归因于小电流、多cell的设计串连设计，能 均匀地将电流扩散开来，同时提高了单位面 积的芯片利用率，进而提升光萃収效率。同 样输出功率下高压led在工作时耗散的功 率要远低于低压led,这意味着散热铝外壳 的成本可大大降低何。hv-led的优点不仅 在于晶片本身，它能貢接或间接进一步提升 整体模组效率。4hvled市场前景2010 年上半年,cree、nichia 和 lumileds 都宣布开发hv-led （离压）芯片，

22、同年10 月，晶元光电推出了蓝色1w、50v、20ma 芯片和髙亮度的红色0.7w、35v> 20ma芯 片，这两款高压芯片的发布，标志着led 照明应用进入了市电直接驱动的时代。首尔 半导体新推出“acriche2”高压a4、a5、a6、 a7四个系列，退在al、a2、a3基础上的 改进，新产品采用小体积的设计结构，效能 更高。台湾晶元光电开发出高压led冷白 光产品，发光效率提升到160 invw以上， 高压暖白光led产品发光效率则达 1701m/w水平，并实现小量出货。今年晶元 光电的高压led芯片成功打入国际led照 明大厂飞利浦供应链。由于高压led芯片 处于发展初期，研发投

23、入大，芯片价格昂贵， 随着技术难题的突破，高压led芯片有望 成为未来芯片市场主流.参考文献8 毛新武，张艳雯，周建军，祝大卫等。 新一代绿色光源led及其应用技术。北京 人民邮电出版社，2008, 8。9 ting wang, zhan-zhong cui, li-xin xu. electrical and optical characteristics of high power vertical gan light-emitting diodes on si substrates the ninth international conference on electronic meas

24、urement & instruments, 2009.10 weifeng feng, yongzhi he and frank g shi, packaging and ac powering of led array. electronic components and technology conference, 201011 jin-pine ao. monolithic integration of gan-based leds. j. phys. conf. ser. 276 012001,2011.12 yao-te huang, yie-tone chen, yi-h

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28、nd general lighting. u.s. patent 6957899, oct. 25,2005.17 c. h. wang, d. w. lin, c. y. lee, m. a. tsai, g l. chen, h. t. kuo, w. h. hsu, h. c. kuo. efficiency and droop improvement in gan-based high-voltage light-emitting diodes. electron device letters, vol. 32, no. & august 6 201118 m. miskin, j.n anderson.ac light emitt