LED芯片結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程

1、LED芯片結(jié)構(gòu)的最近研究進(jìn)展應(yīng)用物理131801任佳偉1)LED芯片分類LED芯片結(jié)構(gòu)主要有三種流派，最常見的是正裝結(jié)構(gòu)，還有垂直結(jié)構(gòu)和倒裝結(jié)構(gòu)。n-GqNn-GoN卜電咬3lEflLEE1n龜fi刪gn電少&IK倒裊LEDLED正裝芯片是最早出現(xiàn)的芯片結(jié)構(gòu)，也是小功率芯片中普遍使用的芯片結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)，電極在上方，從上至下材料為：P-GaN,發(fā)光層，N-GaN，襯底。所以，相對(duì)倒裝來說就是正裝。正裝結(jié)構(gòu)由于p，n電極在LED同一側(cè)，容易出現(xiàn)電流擁擠現(xiàn)象，而且熱阻較高，限制了驅(qū)動(dòng)電流。正裝技術(shù)一般應(yīng)用于中小功率LED。而垂直結(jié)構(gòu)則可以很好的解決這兩個(gè)問題，可以達(dá)到很高的電流密度和均勻度。這也導(dǎo)致

2、垂直結(jié)構(gòu)通常用于大功率LED應(yīng)用領(lǐng)域，倒裝技術(shù)也可以細(xì)分為兩類，一類是在藍(lán)寶石芯片基礎(chǔ)上倒裝，藍(lán)寶石襯底保留，利于散熱，但是電流密度提升并不明顯;另一類是倒裝結(jié)構(gòu)并剝離了襯底材料，可以大幅度提升電流密度。為了避免正裝芯片中因電極擠占發(fā)光面積從而影響發(fā)光效率，芯片研發(fā)人員設(shè)計(jì)了倒裝結(jié)構(gòu)，即把正裝芯片倒置，使發(fā)光層激發(fā)出的光直接從電極的另一面發(fā)出（襯底最終被剝?nèi)?，芯片材料是透明的），同時(shí)，針對(duì)倒裝設(shè)計(jì)出方便LED封裝廠焊線的結(jié)構(gòu)，從而，整個(gè)芯片稱為倒裝芯片（FlipChip）。垂直結(jié)構(gòu)LED是一種基于電流在p型外延層中流動(dòng)的方向的結(jié)構(gòu)。LED芯片帶有較高電阻的外延層（p型）的大部分被一導(dǎo)電層覆蓋。

3、導(dǎo)電層上的每一點(diǎn)均為等電位，導(dǎo)電層與電級(jí)相連，電流基本上垂直流過帶有高電阻的外延層。垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片是在正裝的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，這種芯片是將傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底的芯片倒過來鍵合在導(dǎo)熱能力較好的硅襯底或金屬等襯底上，再將藍(lán)寶石襯底激光剝離。這種結(jié)構(gòu)的芯片解決了散熱瓶頸問題，但工藝復(fù)雜，特別是襯底轉(zhuǎn)換這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)難度大，生產(chǎn)合格率也較低。（2）三維垂直結(jié)構(gòu)1）藍(lán)光LED芯片產(chǎn)品Lumileds推出薄膜倒裝芯片改進(jìn)了luxeronK2,使其熱阻從9C/W降低至5.5C/k。它的p型外延層大部分已支持襯底上的p電級(jí)相接觸，n型外延層通過16個(gè)金屬塞得支持襯底上的N電級(jí)相連接。構(gòu)成無需打金線的垂直三維芯片結(jié)構(gòu)

4、。2）紅光/藍(lán)光芯片樣品無需金線鍵合的三維垂直結(jié)構(gòu)的紅光芯片和藍(lán)光芯片有相同結(jié)構(gòu)。三維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片/SMD的p型外延層完全以支持襯底的p電級(jí)相接觸。形成在n型外延層上的圖形化N電極延伸到支持襯底上的N電極，因此電流分布均勻，沒有電流擁堵現(xiàn)象。3）無需金線鍵合的三維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片n型外延層上的圖形化N電極通過金屬填充塞形支持襯底上的N電極相連，p型外延層以完全支持襯底的p電極相接觸，形成電流通路。（3）三維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片1）三維垂直結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)成本低；良品率高（預(yù)計(jì)高于65）；沒有電流擁堵現(xiàn)象；更高的電流密度；更小的分裝尺寸；熱阻低；芯片工藝和分裝步驟結(jié)合在一起。2）具體結(jié)構(gòu)外部電源

5、的正極通過p電極，p金屬填充層，p金屬層，p型外延層，發(fā)光層，n型外延層，電極，電極延伸部分，n金屬層，n金屬填充層，n電極與外部電源的負(fù)極相連，形成電流回路，因此不用金線鍵合。其中，鈍化層起到保護(hù)芯片的作用；選擇金屬填充塞得數(shù)量和尺寸，以便有效散熱。夾在led外延膜和p金屬層之間的反射/歐姆電極/鍵合層，可提高光取出效率，形成歐姆接觸，降低正向壓降；表面粗化；可提高光取出效率。3）制造三維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的工藝流程。1、共晶焊LED芯片的p型外延層到支持襯底的p金屬膜上2、剝離LED芯片生長(zhǎng)襯底3、沉積鈍化層，保護(hù)芯片4、在LED薄膜和N金屬膜上方保護(hù)層的預(yù)定位置，通過刻蝕，形成窗口。在窗

6、口中的N型外延層上形成優(yōu)化電極圖形，該電極延伸到N金屬膜上并與之形成電連接。P和n金屬膜分別與支持襯底的p和n電極電連接。4）最新進(jìn)展新型垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的第一電極和第二電極分別層疊在氮化鎵基外延層的兩側(cè)，因此具有傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的優(yōu)點(diǎn)。新型垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的第一電極和第二電極層疊在生長(zhǎng)襯底的同一側(cè)，因此，不需要?jiǎng)冸x生長(zhǎng)襯底。新型垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的低成本的批量生產(chǎn)的主要工藝步驟如下：在生長(zhǎng)襯底上，層疊中間媒介層，生長(zhǎng)氮化鎵基外延層，在氮化鎵基外延層上層疊具有優(yōu)化圖形的第二電極，在預(yù)定區(qū)域蝕刻氮化鎵基外延層知道中間媒介

7、層中的金屬層暴露，在暴露的金屬層上層疊第一電極。所述的工藝方法既不需要鍵合支持襯底到氮化鎵基外延層，也不需要?jiǎng)冸x生長(zhǎng)襯底等工藝過程。生長(zhǎng)新型垂直結(jié)構(gòu)的大功率氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的技術(shù)和生產(chǎn)方法可以應(yīng)用于生長(zhǎng)其他半導(dǎo)體發(fā)光二極管。（5）最新產(chǎn)品美國Cree公司是目前世界上采用SiC作為襯底材料制造藍(lán)光發(fā)光二極管用外延片和芯片的專業(yè)公司之一，該公司采用襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)將發(fā)光層轉(zhuǎn)移在Si襯底上，有效地解決了芯片的散熱問題和提高出光效率的問題。006年8月，該公司推出EZBright大功率LED芯片，該芯片結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。在350mA電流下，該芯片的光功率可達(dá)到370mW。Cree公司的功率LED芯片產(chǎn)品EZ系列采用薄膜芯片技術(shù)已經(jīng)達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先的光效水平，據(jù)2011年5月的報(bào)道顯示，Cree的白光LED器件研發(fā)水平已經(jīng)達(dá)到231lm/W,這是功率型白光LED有報(bào)道以來的最好成績(jī)。2007年初，Lumileds公司推出了薄膜倒裝（TFFC）LED產(chǎn)品，實(shí)際上薄膜倒裝結(jié)構(gòu)也是垂直結(jié)構(gòu)LED的一種。由于技術(shù)的進(jìn)步，使該產(chǎn)品可在任何環(huán)境中都能表現(xiàn)出最佳性能。使用TFFC技術(shù)的LuxeonK2是專門為在1000mA電流下工作而進(jìn)