二 芯片結構和襯底

　　LED襯底的趨勢：

　　不確定是Si，SiC，藍寶石中的一種。

　　但可能會是完全剝離原來的生長襯底，并與新基底結合的趨勢。

　　對襯底的要求：

　　1、結構特性好，晶圓材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數失配度小、結晶性能好、缺陷密度小。

　　2、接口特性好，有利于晶圓料成核且黏附性強。

　　3、化學穩定性好，在晶圓生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕。

　　4、熱學性能好，包括導熱性好和熱失配度小。

　　5、導電性好，能制成上下結構。

　　6、光學性能好，制作的器件所發出的光被襯底吸收小。

　　7、機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等。

　　8、價格低廉。

　　9、大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。

　　三種襯底比較

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　　SiC襯底

　　化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光;

　　價格太高、晶體質量難以達到Al2O3和Si那么好、機械加工性能比較差;

　　吸收380nm以下的紫外光，不適合380nm以下的紫外LED。

　　優異的的導電性能和導熱性能，不需要像Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術解決散熱問題，而是采用上下電極結構。

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　　硅襯底

　　硅襯底的芯片電極有兩種接觸方式，分別是L接觸(Laterial，水平接觸)和V接觸(Vertical，垂直接觸)，LED芯片內部電流可以是橫向也可以是縱向流動的。

　　電流可以縱向流動，因此增大了LED的發光面積，從而提高了LED的出光效率。因為硅是熱的良導體，所以器件的導熱性 能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。

　　硅襯底上生長的GaN基LED與其他襯底相比，性能上有差距，發光效率和可靠性有待進一步提高和驗證。

　　硅襯底研發水平最好達到160lm/W，而藍寶石目前普遍水平能達到110lm/W，研發水平也達到了249lm/W。

　　普瑞光電8英寸硅襯底芯片色溫為4700K時，光效已達到160lm/W;色溫為3000K時,光效已達到125lm/W，顯色指數可達到80。

　　歐司朗標準Golden Dragon Plus LED封裝中的藍光UX:3芯片在3.15V時亮度可達634mW，如果再結合標準封裝中的傳統熒光粉轉換，這些白光LED原型在350mA電流下亮度將達到140lm，色溫為4500K時將實現127lm/W的光效。

　　晶能光電2英寸硅襯底量產芯片，色溫為5000K時，350mA下普遍光效超過110lm/W，6寸硅襯底芯片研發取得重大進展，性能和2寸片相當，目前正籌備6寸量產制程設備。

　　飛利浦、三星也均在硅襯底方面展開研究，而三星從8英寸大尺寸入手。

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　　藍寶石襯底

　　化學穩定性好、不吸收可見光、價格適中、制造技術相對成熟;

　　不足方面雖然很多，但均被克服，

　　很大的晶格失配被過渡層生長技術所克服

　　導電性能差通過同側P、N電極所克服

　　機械性能差不易切割通過雷射劃片所克服

　　很大的熱失配對外延層形成壓應力因而不會龜裂

　　但差的導熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。

　　晶格失配和熱應力失配，這會在外延層中產生大量缺陷，同時給后續的器件加工工藝造成困難。

　　正裝結構

　　P型GaN傳導性能不佳，需在P區表面蒸鍍一層Ni-Au金屬電極層。

　　P區為獲得好的電流擴展，Ni-Au金屬電極層不能太薄，器件的發光效率受到很大影響，要同時兼顧電流擴展與出光效率二個因素。

　　金屬薄膜的存在，總會使透光性能變差。引線焊點的存在也使器件的出光效率受到影響。

　　GaN LED倒裝芯片的結構可以從根本上消除上面的問題。

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　　倒裝結構

　　①基材是硅;

　　②電氣面及焊凸在元件下表面;

　　③組裝在基板后需要做底部填充

　　或者完全去掉襯底材料直接和金屬襯底接觸，例如臺灣旭明光電。

　　如何克服藍寶石襯底的缺點?

　　銦錫氧化物(Indium Tin Oxide; ITO)電流傳輸層。

　　覆晶結構(Flip-chip) 。

　　光輸出表面粗糙化。

　　垂直電極(Vertical Electrode) 。

　　使用22°底切側壁。

　　圖形化藍寶石基板。

　　電流阻擋層(Current Block Layer) 。

　　使用氧化鎳/銦錫氧化物歐姆接觸。

　　在MQW與p-GaN層之間多做一層p-AlGaN。

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　　解析LED發光效率 68%電能轉化為熱量。

　　相關指標：

　　①內部量子效率(Internal Quantum Efficiency)：電流轉化為光子的能力

　　②光取出率(Light Extraction Efficiency)：將光子從半導體中萃取出來的能力

　　③外部量子效率(External Quantum Efficiency)：電流轉化為萃取出來的光子的能力

　　內量子效率提高(與芯片更相關)：

　　1.電流分布均勻

　　A.覆晶結構—導電弱的P型材料接觸襯底

　　代表：飛利浦lumileds，深圳晶科

　　B. 改Au/Ni電極為ITO

　　ITO的特點：硬度高，有很高的電子傳導率，光學吸收系數低

　　代表：晶元光電，上海藍光

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　　C. 改為小面積多晶組合的HV

　　晶面被分割后，電流分布均衡，防止局部過熱

　　代表：晶元光電

　　D. 垂直電極結構

　　電流分布更均勻

　　代表：

　　旭明--襯底徹底剝離后直接附著金屬電極

　　Cree—SiC導電襯底

　　晶能—導電硅電極

　　2. 降低Vf和電極接觸處電阻損耗

　　氧化鎳/銦錫氧化物歐姆接觸

　　歐姆接觸，降低Vf，降低電阻損耗，提高了內量子效率

　　3.外延材料的設計

　　A.雙異質結結構

　　B.激活層(AL：Active layer)摻雜

　　C.包覆層(CL:Cladding layer)摻雜

　　D.晶格匹配

　　E.PN結移位

　　F.非輻射復合中心

　　代表：華燦光電擁有的核心技術在外延生長、量子阱技術、外量子效率以及芯片工藝與制造方面都取得了突破性的進展

　　內量子效率技術現狀：

　　現在內量子效率一般超過90%，因此已經不是提升的重點。

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　　提高外量子效率(與封裝的關系更為密切)：

　　1、換為透明襯底或在有吸收功能的襯底上加反射鏡

　　(反射鏡一般采用高反光金屬材料如AL和Ag)

　　外量子現狀效率：

　　目前30%-40%，是重點提高的對象

　　旭明光電：

　　①垂直結構，電流分布均勻

　　②金屬反射層，提高光萃取率

　　③表面圖形電極，提高光萃取率

　　④金屬襯底，提高散熱

　　2、采用半圓形球面(一般LED光因臨界角被限制而不易射出，做成半圓形球面使光不受臨界角限制)

　　GaN折射率2.3，全反射角29°，出光率<32%

　　3、覆晶結構

　　A.藍寶石折射率介于GaN和空氣之間，可以提高光出射的全反射角

　　B.避免電極墊遮光，擴大出光面積

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　　4、表面采用織狀結構或粗糙面以增加光的射出面

　　5、改變幾何形狀(一般LED為平面正方形長方形結構，此些結構容易制造但限制了光的輸出)。

　　如改成漏斗形后光更容易的輸出。

　　6. 封裝材料的選擇

　　A.高透光率(樹脂的透光率高于硅膠)

　　B.匹配良好的折射率(GaN>Al2O3>樹脂>空氣)

　　C.抗UV,防黃變特性

　　D.高的耐溫和應力特性

　　B. 匹配良好的折射率

　　GaN類倒裝芯片封裝的LED的出光通道折射率變化為：

　　有源層(n=2.4)→藍寶石(n=1.8)→環氧樹脂(n=1.5)→空氣(n=1);

　　GaN類正裝芯片封裝的LED的出光通道折射率變化為：

　　有源層(n=2.4)→環氧樹脂(n=1.5)→空氣(n=1)

　　采用倒裝芯片封裝的LED的出光通道折射率匹配比正裝芯片要好，出光效率更高。

　　7. 熒光材料

　　A.熒光粉涂覆方式

　　B.熒光粉效率

　　接下來將介紹：

　　LED失效模式，敬請關注。