LED芯片技术发展趋势

秦皇岛鹏远光电子科技有限公司彭晖朱立秋

摘要：把LED更快地推向背光源和普通照明的新发展方向逐渐显现：在保证一定的发光效率的前提下，采用较大的电流驱动单个垂直结构芯片，提高单个垂直结构芯片的光通量，使得一个芯片相当于几个芯片，即，提高性价比(1m／,,L)，相当于降低成本至几分之一。3维垂直结构LED芯片适宜于采用大电流驱动。

关键词：垂直芯片3维垂直芯片大电流驱动光效降低

一、推动LED进入背光源和普通照明市场的新方向

目前，LED还未大规模进入背光源和普通照明，主要原因之一是由于LED的价格太高，即，性价比(1m／元)太低。市场急需有效的能够较快的降低LED价格的解决方案。

(一)传统解决方案

为了把LED推向背光源和普通照明，很多公司、研究机构和其他资源集中在下面两个方向：

l、提高发光效率(】m厂w)：例如：提高到200lm厂W。

2、降低生产成本：降低外延生长、芯片制造、封装的生产成本。

但是，沿上述两个方向的进展速度不能满足市场对LED的期待，特别是LED价格的降低的速度远不能满足市场对LED的期待。为了使LED更快地进入普通应用市场，LED产业面临的挑战是：成本下降的速度。

(--)新的解决方案：理论

为了更快地把LED推向背光源和普通照明，很多公司和研究机构进行大量研究，一个新的发展方向逐渐显现：

在保证一定的发光效率(Ira／w)的前提下，在单个垂直结构芯片内注入较大的电流，即，提高单个垂直结构芯片能够承受的电功率，提高单个垂直结构芯片的光通量，使得一个芯片相当于几个芯片，即，提高性价比(hn／元)，相当于降低成本至几分之一。

当大电流驱动的垂直结构LED芯片应用于背光源和普通照明时，将可以减少每个显示屏和灯具使用的LED的数量，降低了显示屏和灯具的整体价格，这样，LED将会尽快进入并且占有背光源和普通照明的巨大市场份额。

在单个芯片内注入较大的电流，会引起发光效率的下降。发光效率在大电流下的下降早已被观察到，至今，对此现象基本上有两种不同的理论解释：

1、Auger效应：美国Lumileds公司最早提出。Lumileds公司认为：量子效率在大电流下的降低是由于Auger效应。基于这一理论，Lumileds公司设计他们的外延层结构，目前得到的结果是：可以向lIIlm2的芯片注入2A的脉冲电流。Osram公司最近表示同意Lumileds公司的观点。

2、漏电(electron leakage)：弗杰尼亚大学研究人员认为：量子效率在大电流下的降低最终是由于漏电造成的。基于这一理论，弗杰尼亚大学设计他们的外延层结构，采用掺杂了5x1017 cm-3密度的镁的In0_0lGao．99N阻挡层(barrier)代替无掺杂的GaN阻挡层，其420rim的LED在900AJcm2电流密度下(相当于采用9A驱动lmm2芯片)，得到最大的外量子效率。至今，对于哪种理论是对的，甚至是否还可能有其他理论，业界还没有达到共识。

(三)新的解决方案：最近的发展

无论接受哪种理论，即使还有一些技术上的问题需要解决，但是，向单个垂直结构芯片内注入较大的电流已经逐渐成为LED芯片发展的方向。在大电流垂直结构芯片制造方面需要解决的问题包括：(1)散热；(2)如何引入大电流而不会在芯片上的局部区域产生电流拥塞等。事实上，一些公司和研究机构已经在向这个方向发展了，例如：

l、Nitek公司最近，Nitek公司发布了采用PLOG和MOHVPE(metal—organic hydride vapor phase epitaxy)方法制造的该公司第二代垂直结构280nm深紫外LED，在1A的电流驱动下，它的垂直结构的LED比横向结构的LED的光输出提高了1个量级，见图l。该LED具有很低的热阻。在2000小时，没有衰减，目前，寿命超过5000小时。

2、弗杰尼亚大学今年9月份，公开了其420nm的LED的新的试验结果：采用无掺杂的GaN阻挡层，在50A／cm2电流密度下(相当于用采用0．5A驱动1删m2芯片)，得到最大的外量子效率，图2(a)。采用无掺杂的InGaN阻挡层(barrier)代替无掺杂的GaN阻挡层，在200A／cm2电流密度下(相当于用采用2A驱动1删n2芯片)，得到最大的外量子效率，图2(b)。采用掺杂镁(密度5x1017 cm-3)的Ino．olGao．99N阻挡层代替无掺杂的GaN阻挡层，在900A／era2电流密度下(相当于用采用9A驱动1删0芯片)，得到最大的外量子效率，图2(d)。

目前，弗杰尼亚大学研究人员正在研究该LED的可靠性和寿命。作为对比，目前市场上的常见的大功率1ram2的LED芯片的电流密度只有35A／cm2。

3、Lumileds公司

美国Lumileds公司的技术总监在“第五届中国国际半导体照明论坛”上报告(2008年7月)：Lumileds已经向1ram2的芯片注入2A的脉冲电流。得到5821m。预计2．3年后，经过改进，将会得到11001m@2A。

Lumileds的副总裁在“LED技术研讨会2008”(2008年6月)上指出：“通过把LED的效率由751m／W提高到1501m／W，驱动电流由350mA提高到2A，并提高生产率至两倍，则成本就能降至目前的1／20。"并展出了采用Luxeon Rebel的46寸背光板。2008年10月，Lumileds和Osram在lmm2的芯片和350mA电流下，得到140lm，W。

4、Cree公司

美国Cree公司的垂直结构XLamp的XR．E的最大驱动电流达到1A。2008年11月，Cree在lmm2的芯片和350mA电流下，得到160 lm／W。．

5、Osram公司

Osram公司研制成功一款垂直结构芯片，驱动电流达到1．4A，光通量达到5001m。

6、台湾的小太阳能源公司的芯片

台湾的小太阳能源公司2008年6月报道，该公司已经向1毫米垂直结构芯片注入5A的电流，得到的光通量超过1000 lm。

7、低热阻的3维垂直结构LED芯片

低热阻的3维垂直结构LED芯片(图4)于2008年1月被提出，预计可以用数安培的电流驱动。

从图5中可以很明显的看出LED芯片的发展趋势，即驱动单芯片的电流增加，相应的单芯片的光通量增加。

8、比较小太阳国际能源公司的结构和3维垂直结构LED芯片

下面比较台湾的小太阳国际能源公司的封装的结构和3维垂直结构LED芯片，台湾小太阳能源公司的“铜铝键合技术”如图6所示：

比较图4中的低热阻的3维垂直结构LED芯片与图6中的小太阳国际能源公司『铜铝键合J的结构，可以看出如下的相同之处：均是采用共晶(公金)方法把垂直结构LED薄膜(LED晶粒)焊接在P金属(Cu slug)上，制成垂直结构LED。因此低热阻的3维垂直结构LED芯片与小太阳国际能源公司『铜铝键合J的结构(除外铝本体)有相同的第一阶散热界面，即有相同的热阻。

比较图4中的低热阻的3维垂直结构LED薄膜与图6中的小太阳国际能源公司『铜铝键合J的结构，可以看出：只要把3维垂直结构LED芯片采用金属键合的方法键合在热沉上，低热阻的3维垂直结构LED芯片(加上热沉)与图6中的小太阳国际能源公司『铜铝键合j有基本上相同的第一阶散热界面，因此，有基本上相同的总热阻。

可以看出，低热阻的3维垂直结构LED芯片同时具有Lumileds的Luxeon Rebel和小太阳国际能源公司的LED结构的优点。

(四)实行新的解决方案的必要条件

分析前面的数个公司和研究机构的产品，我们知道：可以用大电流驱动的LED芯片必须满足下面的

必要条件：

1、外延方面：优化的LED外延层的结构和成分。

2、芯片方面：(2．1)电流分布均匀，没有电流拥塞：(2．2)芯片的散热：

(2．3)有效的向LED芯片引入大电流的方法。

3、封装方面：散热。

哪一种芯片结构比较适合于大电流驱动呢?在具有相同的LED外延层的结构和成分以及封装的条件下：

l、垂直结构LED芯片较易满足卜述的芯片方面的必要条件(2．1)和(2．2)。

2、3维垂直结构LED芯片较易满足E述的芯片方伯f的必要条件(2．1)、(2．2)和(2．3)。(下面详细说明)

3、横向结构LED芯片较难满足上述的芯片方面的必要条件(2．1)、(2．2)和(2．3)。

(五)知识产权

知识产权对于高科技产业(特别是新兴产业，例如LED产业)是非常重要的，各个企业对专利布局十分重视，这一点从近期的一系列的专利诉讼中即可看出，例如Lumileds与晶无之间，Cree与Bridgelux之间，日亚与首尔半导体之间，晶元与璨元之间，晶元与广镓之间，哥伦比亚大学退休教授罗斯切尔德对数十家企业提出337调查等。

关于3维垂直结构LED芯片，全世界已有3家氽业／个人进行专利布局，包括Cree、Lumileds、Bridgelux和我。我从2005年开始布局，至今已申请8项国内外专利，其中，3项已被授权，为生产销售该芯片打下坚实基础。

二、LED芯片结构的发展趋势

随着LED的性能不断改进和应用范围的不断扩大，LED芯片的结构也在持续地发生变化。

(一)LED芯片结构的发展

横向结构：

最早的LED芯片的结构是横向结构，目前还有很多小功率的芯片采用横向结构。在横向结构中的芯片，电流在P类型外延层中横向流动一段不等的距离，由于P类型外延层电阻比较高，因此，正向电压比较高，产生的热量较多，有电流拥塞现象，限制了驱动电流。

倒装焊结构：

对于蓝光LED芯片来讲，其蓝宝石衬底的导热率比较低，为了解决散热的问题，芯片的倒装焊结构被提出，发光效率和散热效果都有了改进。通常的LED倒装焊结构仍然是横向结构，仍然有电流拥塞现象，且不能进行表面粗化。

垂直结构：

为了解决蓝光LED倒装焊芯片的不足之处，借鉴于红光垂直结构LED芯片，蓝光垂直结构芯片被提出。垂直结构与倒装焊LED的主要区别如下：首先把LED芯片的P外延层的大部分(例如，Lumileds的Rebel)或全部(例如，3维垂直结构LED芯片)倒装焊在支持衬底上，然后剥离生长衬底，形成垂直结构LED。垂直结构的LED有不同的名字，例如垂直结构、上下电极结构、Thin Film、Thin GaN、Flip ChipmnFilm等。

为了便于理解垂直结构的LED，最近，一种基于电流在P类型外延层中流动的方向的垂直结构的LED的定义被提出(参见：“通用3维LED芯片：演变的芯片设计”，第四届中国国际半导体照明论坛，2007)·

垂直结构的LED芯片的定义：LED芯片带有较高电阻的外延层(P-夕h延层)的大部分被一导电层覆盖(例如，金属层)；导电层上的每一点基本为等电位；导电层与电极相连；电流基本上垂直流过高电阻的外延层。基于这一定义：

(1)对于垂直结构的LED芯片，不一定必须在芯片两侧制作电极。

(2)外界电源可以在不同的位置与具有较低电阻的外延层(N．夕h延层)进行电连接，例如：在N-夕h延层的项部，或在N-夕h延层的中间部分(例如，Lumileds的Rebel)。

(3)外部的电源与导电层可以以不同的方式连接，如：共晶焊、植金球、导电胶连接。

大部分的红光LED芯片都是垂直结构。在垂直结构的LED芯片中，电流基本上垂直流过高电阻的P类型外延层，并且电流拥塞现象得到克服。

3维垂直结构：

借用半导体行业的术语，把无需打金线的垂直结构LED芯片统称为“3维垂直结构LED芯片”。LED芯片的结构一直在不停的向前发展，在垂直结构LED芯片完全成为主流产品之前，3维垂直结构LED芯片就已经被提出了。

2005年：Cree提出3维垂直结构LED，但是，Cree一直没有产品推上市场。其原因在于，Cree采用如下的工艺制程：首先采用晶片键合(wafer bonding)，然后，在支持衬底上形成通孔(via)，在通孔中形成金属栓(metal plug)，再形成N-电极。该工艺制程比较复杂，因此，良品率较低。

2007年2月：Lumileds把无需打金线的蓝光垂直结构LED芯片封装(Rebel)投入市场。其主要特点是：支持衬底上的N电极穿过发光层与N外延层的中间部分相连接。同时，Lumileds提出相同结构的无需打金线的红光垂直结构LED芯片封装，结构如图8：

2008年7月：秦皇岛鹏远光电、tij东华光、r海蓝宝、、|导体所，等台作开发Ⅲ了3维垂直结构的红光和蓝光LED芯片的样品，如图9所小。

由于采用的工艺制程种常简单，凼此．在数月的时俐山即制?样t‰。预期良晶牢较高，町以很快把产品推向巾场。F面的图表史形象的袅示LED芯J_结构的发胜过程，嘲10

(二)垂直结构LED芯片与3维垂直结构LED芯片的比较与垂直结构LED芯片相比，3维垂直结构LED芯H的主婴优势如r-

1、无需打线带来的优势：如3维垂直结壮』I,ED蒜”的封装∞厚度更薄等；

2、当把LED芯片应用于传输fj息时，3维垂直结构LED芯H_】r以更快的传输信息；

3、更容易引入较大的驱动电流。

2008午11月报道，荚困Bosun大学，Rensselner研究所和新墨两哥大学获得资金，将合作研笈采用LED作为信号源柬传输信息。为此日的，3维垂直结构LED．占片由于无需打线．可以以更快的速度传输信息。

下面具体讨论并比较垂直结构LED芯片和几款3维垂直结构LED芯片在引入较大的驱动电流方面的区别。一款3维垂直结构LED芯片的电极如图ll所示：

在上图中，有4个条形电极，因此有4个电流引入点，即电流从N金属分别通过4个电流引入点流入4个条形电极，进而流入LED薄膜，从每一个电流引入点引入的电流等于总电流的1／4。因此，在电流引入点附近的电流密度较小，不容易在电流引入点的附近产生电流拥塞。

当进一步增大驱动电流时，可以很容易的增加条形电极的数目，即增加电流引入点的数目，这样既可以在电流引入点附近保持较小的电流密度，也不会有太多的遮光。

作为比较：例1：考虑通常的大功率垂直结构LED芯片(Cree和SemiLeds)，其电极的形状如图12

所示：

该芯片一般有2个打线焊盘，即2个电流引入点。

2种可能的方法引入较大的电流：

(1)增加电流引入点的数目，即增加打线焊盘的数量(图13)。虽然每个电流引入点承担较小的电流，但是会有太多的打线焊盘遮光；

(2)不增加电流引入点的个数，则每个电流引入点需要承担更大的电流。虽然不会有太多的打线焊盘遮光，但是很容易在电流引入点的附近产生电流拥塞。

对于上述的垂直结构LED芯片，如何把大电流施加到芯片上将是一项挑战。

作为比较：例2：考虑Lumileds的垂直结构LED芯片，其N．电极有16个电流引入点，形状如图14

所示，当采用0．35A驱动时，每个电流引入点只需要引入0．35A／16=0．022A的电流。

当对上述的Lumileds的垂直结构LED芯片施加大电流时，有2种可能的方法引入较大的电流：

(1)保持同样的N电极形状(即，有16个电流引入点)，例如，当采用2A的电流驱动时，如果不增加电流引入点，则每个电流引入点要承担2A／16=0．125A的电流，极易在电流引入点的附近产生电流拥塞。

(2)增加电极的电流引入点，例如，增加到49个，如图15。则每个电流引入点要承担2AJ49=0．04A的电流。但是需要蚀刻掉更多的发光层，因而减低发光效率。

因此，如何向Lumileds的Rebal芯片引入更大的电流将是一项挑战。

从引入较大的驱动电流这一方面来讲，图11所示的3维垂直结构LED芯片比图12所示的通常的垂直结构LED芯片和图14所示的Lumileds的3维垂直结构LED芯片有明显优势。

(三)4款3维垂直结构LED芯片产品

到目前为止，3维垂直结构LED芯片有以下几种不同结构。

1、3维垂直结构蓝光LED芯片产品：Lumileds

2007年2月，Lumileds推出了无需打金线的蓝光Luxeon Rebel产品，并投入市场。Lumileds称LuxeonRebel为TFFC(thin film flip chip)结构(图8：截面图和图14：顶视图)，它的P外延层大部分与支持衬底上的P电极相接触，支持衬底上的N电极通过16个金属塞与N外延层的中间部分电连结。因此，按照上述垂直结构LED的定义，Luxeon Rebel是无需打金线的三维垂直结构芯片。

2、3维垂直结构LED芯片：秦皇岛鹏远光电等

2008年7月，秦皇岛鹏远光电，山东华光，上海蓝宝，半导体所，等合作开发出了3维垂直结构LED芯片的样品，如图14。

3维垂直结构的红光和蓝光芯片有相同的结构。3维垂直结构LED芯片的P类型外延层完全与支持衬底的P电极相接触，形成在N外延层上的图形化N电极延伸到支持衬底上的N电极，因此电流分布均匀，没有电流拥塞现象。

目前，正在进行量产的前期工作。

3、极低热阻的3维垂直结构LED芯片：秦皇岛鹏远光电

2008年，极低热阻的3维垂直结构LED芯片被公布出来，如图11(顶视图)和图4(截面图)。此设计是将LED薄膜共晶焊到整块的P金属上，这样会有更好的散热效率，热阻小于1 oCflW。因此可以利用数安培的电流驱动。目前正在开发样品，产品。

4、通孔3维垂直结构LED芯片：

如图15所示：N外延层上的图形化的N电极通过金属填充塞与支持衬底上的N电极相连，P外延层完全与支持衬底的P电极相接触，形成电流回路。

三、3维垂直LED芯片的优势、结构、生产方法

(一)3维垂直结构LED芯片的优势

母低成本(一个SMD的成本只比它的芯片的成本高5．10％)；

臻高良品率(预计结果：高于65％)：

木没有电流拥塞现象；

乖低热阻(最低小于1 oC／W)

木更高的电流密度(可达数安培)；

·当把LED芯片应用于传输信息时，3维垂直结构LED芯片可以更快的传输信息；

宰更小的封装；

牛同样的芯片结构适用于所有垂直结构LED芯片：

包括：GaP，GaN(极化和非极化的)，GaNP，和ZnO基芯片；

事极易封装：例如，荧光粉涂覆、老化、测试、分档。

下面介绍上述的第二种3维垂直结构LED芯片，该种芯片包括三种不同的款式。

(二)Topview3维垂直结构LED芯片

图16是Top view 3维垂直结构LED芯片的结构图，其中外部电源的正极通过P电极、P金属填充塞、P金属层、P__外延层、发光层、N一外延层、电极、电极延伸部分、N金属层、N金属填充塞、N电极与外部电源的负极相连，形成电流回路，因此不需要打金线。其中：钝化层起到保护芯片的作用；选择金属填充塞的数量和尺寸，以便更有效的散热；层叠在LED薄膜和P金属层之间的反射，欧姆／键合层，提高光取出效率，形成欧姆接触；LED表面被粗化。

图17、图18和图14分别是图16的3维垂直结构LED的截面图、顶视图和示意图。三维垂直结构LED的组成部分同图16。图18中的窗口是在LED薄膜和N金属层上方的钝化层中预定的位置打开窗口。

在窗口中，LED薄膜的N．一外延层部分暴露，N金属层的表面暴露。电极层叠在暴露的N．一外延层上，并向N金属层方向延伸，和暴露的N金属层形成电连接。

(三)Side view 3维垂直结构LED芯片

图19展示的芯片结构是专为侧发光(side view)设计的3维垂直结构LED芯片顶视图。它的优点是：

100％利用发光层材料，没有打线焊盘遮光；电流分布均匀，可以用较大的电流驱动。

(四)3维垂直结构LED芯片阵列

下面是由四个(也可以多于或少于4个)LED薄膜组成的三维垂直结构LED阵列，适合高亮度，集成度高，整合型的应用。

(五)制造3维垂直结构LED芯片的工艺过程

3维垂直结构LED芯片的制造工艺简单，良品率高。工艺过程如下：

l、共晶焊LED芯片的P．外延层到支持衬底的P一金属膜上(图22)

2、剥离LED芯片的生长衬底(图23)

3、层叠钝化层(图24)

4、在LED薄膜和N．金属膜上方的保护层的预定位置，通过蚀刻形成窗口。在窗口中的N-#b延层上形成优化图形电极，该图形电极延展到N一金属膜上并与之形成电联接。P．金属膜和N_金属膜分别与支持衬底的P．电极和N一电极电连接。因此，无需通过打金线，P-夕h延层和N-夕h延层分别与支持衬底的P一电极和N一电极电连接(图25)。

四、LED芯片的发展趋势：大电流驱动的垂直结构芯片

垂直结构LED芯片较易注入大电流，相当于提高性价比(trn／元)，即降低成本。大电流驱动的低热阻的垂直结构芯片和3维垂直结构LED芯片是LED光源的发展趋势，当应用于背光源时，将可以减少每个显示屏使用的LED的数量，扩展LED背光源的市场占有率；当应用于普通照明时，将推动LED向普通照明迈进一大步1