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分解高压LED基本结构及关键技术

发布时间:2020-07-21 17:44:29 阅读: 来源:中开泵厂家

最近几年由于技术及效率的进步,LED的应用越来越广;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,也就是通称的高功率LED方向发展。

对于高功率LED的设计,目前各大厂多以大尺寸单颗低压DC LED为主,做法有二,一为传统水平结构,另一则为垂直导电结构。就第一种做法而言,其製程和一般小尺寸晶粒几乎相同,换句话说,两者的剖面结构是一样的,但有别于小尺寸晶粒,高功率LED常常需要操作在大电流之下,一点点不平衡的P、N电极设计,都会导致严重的电流丛聚效应(Current crowding),其结果除了使得LED晶片达不到设计所需的亮度外,也会损害晶片的可靠度(Reliability)。

当然,对上游晶片製造者/晶片厂而言,此作法製程相容性(Compatibility)高,无需再添购新式或特殊机台,另一方面,对于下游系统厂而言,週边的搭配,如电源方面的设计等等,差异并不大。但如前所述,在大尺寸LED上要将电流均匀扩散并不是件容易的事,尺寸愈大愈困难;同时,由于几何效应的关係,大尺寸LED的光萃取效率往往较小尺寸的低。

图:低压二极体、交流二极体及高压二极体驱动方式的差异。

第2种做法较第1种复杂许多,由于目前商品化的蓝光LED几乎都是成长于蓝宝石基板之上,要改为垂直导电结构,必须先和导电性基板做接合之后,再将不导电的蓝宝石基板予以移除,之后再完成后续製程;就电流分布而言,由于在垂直结构中,较不需要考虑横向传导,因此电流均匀度较传统水準结构为佳;除此之外,就基本的物理塬理而言,导电性良好的物质也具有高导热的特质,藉由置换基板,我们同时也改善了散热,降低了接面温度,如此一来便间接提高了发光效率。但此种做法最大的缺点在于,由于製程复杂度提高,导致良率较传统水平结构低,製作成本高出不少。

高压发光二极体(HV LED)基本结构及关键技术

晶元光电于全球率先提出了高压发光二极体(HV LED)作为高功率LED的解决方案;其基本架构和AC LED相同,乃是将晶片面积分割成多个cell之后串联而成。其特色在于,晶片能够依照不同输入之电压的需求而决定其cell数量与大小等,等同于做到客製化的服务。由于可以针对每颗cell加以优化,因此能够得到较佳的电流分布,进而提高发光效率。

高压发光二极体和一般低压二极体在技术上最主要的差异有叁,第一为沟槽(Trench)。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4~8um,沟槽宽度方面则无一定的限制,但是沟槽太宽代表着有效发光区域的减少,将影响HV LED的发光效率表现,因此需要开发高深宽比的製程技术,缩小製程线宽以增加发光效率。

第二为绝缘层(Isolation),若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高深宽比的沟槽上披覆包覆性良好、膜质紧密及绝缘性佳的膜层,这也是单晶AC LED製程上的关键。

第三个是晶片间的互连导线(Interconnect)。一般而言,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,在高电压、高电流驱动下易产生毁损,造成晶片的失效,因此平坦化製程的开发就变得重要。理想的状态是在做绝缘层时,能一併将深邃的沟槽予以平坦化,使互连导线得以平顺连接。

此外,高压发光二极体在应用上和一般低压二极体最主要的不同点为,它不仅仅能够应用于定直流(Constant DC)中,只要外接桥式整流器,它也能够应用于交流环境,非常具有弹性。在高压发光二极体中,外部整流器捨弃AC LED採用同质氮化镓的做法而改採用硅整流器,不仅使得耗能少,更可防止逆向偏压过大对晶片所造成的影响;最后,因为高压发光二极体较AC LED少了内部桥整的发光区,使发光效率相对较高,耐用度也较佳。

作为大尺寸、高功率LED的解决方案

高压发光二极体的效率优于一般传统低压发光二极体,主要可归因为小电流、多cell的设计能均匀地将电流扩散开来,进而提升光萃取效率。在一些应用当中,除了需要考虑晶片本身效率外,最终产品的售价也是一项重要指标;例如在当前照明领域中,LED灯源仍不被视为主流性产品,关键点在于其售价仍旧偏高。LED灯源价格高昂的塬因,除了晶片本身的价格之外,尚需要考虑整体的物料清单(Bill of material;BOM),例如由于发光二极体本质上为一具有极性的元件,必须供给一顺向偏压才得以点亮,因此一般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。

又因LED本身体积小,热源容易集中,而造成所谓热点(Hot spot)现象,使得发光元件本身寿命变短。为了解决热点的问题,LED灯源上的散热设计也不可缺少,目前散热设计方面以金属散热片最为常见,但金属散热片除了增加灯源的重量,也增加灯源的成本。由于高压发光二极体本身效率高,会减少废热及对散热的需求,进而削减成本;从电源转换的角度而言,高电压小瓦数的电源转换器如返驰拓僕式电路,除了体积小外,因为採用的元件少,成本也较低。因此,高压发光二极体的优点不仅在于晶片本身,它能直接或间接进一步提升整体模组的效率。

总括而言,在应用及设计上,单晶片的高压发光二极体有下列好处:

1、节省变压器能量转换的损耗及降低成本。

2、除了高电压直流的应用外,利用外部桥式整流电路也可设计于交流下操作。

3、体积小不佔空间,对封装及光学设计都具有极佳的运用弹性。

4、除了红色萤光粉外,也可以运用蓝、红HV LED搭配适当的黄、绿色萤光粉製成更高效率的高CRI暖白LED。

目前在晶元光电中,会首先依据客户的各项参数需求,做设计準则的基本检查;进一步根据相关的光、电及热模型执行模拟,决定单位晶胞的大小、数目及最终产品呈现形式后,再加以实践验证;并根据实践所收集到的资料,验证塬始设计,或是加以修改达到优化的结果。目前晶元光电研发中心已经着手进行高压发光二极体相关模拟光、电及热模型的建立。

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