LED的战国时代

　　提高LED性能的一种方法乃将电流由弯流改成顺流。由于蓝宝石基材不导电，LED正负两个电极乃设在同面。当电流通过GaN晶格时电流必须由垂直顺流改成水平横流，这样电流就会集中在内弯处，导致不能有效使用P-N接口的电子层和电洞层，因而减少了发光效率。更有甚者，电流集中之处会产生热点使晶格缺陷范围延伸，LED的亮度就会随缺陷扩大而递减。为了延长LED的寿命，输入的电流必须降低(如350mA)，单位面积的发光亮度，就受到了限制。LED设计的主要设计有如下列诸图所示(如图3)

　　图3：LED芯片的主要设计示意(网络资讯)

　　LED电流转弯的问题不能靠封装的设计(如复晶或Flip Chip)改善，把电流截弯取直才是正道，这样必须把电极置于LED磊晶的两侧。电流平顺就可以明显提升LED的亮度。除此之外，相同亮度的顺流LED使用的芯片面积较小，因此晶圆上切出的晶粒数目较多，也就是单颗LED的制造成本可能降低。尤其进者，电流转弯时若扩大芯片的面积会使LED发光更不均匀。但是顺流LED其发射的光子数目则会由发光面积的加大而提高。所以一颗以大电流(如1A)驱动大面积的顺流LED，其亮度会大于具有相同面积的多颗横流LED。(如图4)

　　LED的顺流制造

　　制造顺流式LED时乃将一导电体(如CuW)软銲(如Au-Sn)在GaN的正极(P-Type)面。其后以雷射(如波长248nm的KrF气体雷射)从反面透明的蓝宝石面照入，就可气化GaN成为Ga及N2，这样蓝宝石就可以和负极(N-Type)剥离分开了。(如图5)

　　雷射剥离蓝宝石基材后暴露出的GaN负极(如加入Si Dopant)在抛光后其导电率及透光率比正极(如加入Mg Dopant)要高，因此不需镀上会吸光的ITO层做为电流散布层(Current Spreading Layer)就可在其上的部份镀上电极而制成LED光源。

　　CREE以半导体SiC磊晶基材生长GaN，在蒸镀反射层(如银)后软銲(Solder)导电的矽晶制成所谓的“垂直式”LED。这种间接制程不仅可将昂贵的SiC基材以雷射剥离收回再用，垂直LED也能加大芯片(电流)及减少亮度衰减。国内的晶电也以矽晶软銲在GaN晶圆上，而灿圆则以GuW合金软銲在GaN 的芯片上。旭明光电则以电镀金属(如Ni、Co、Cu)直接披复在GaN的晶圆上。然而软銲可能局部接合不良以致若干GaN芯片(Die)在切割(Dicing)后发光不亮。另一方面，不以软銲接合而以电镀沈积的接口结合强度不高，更有甚者，金属膨胀后可能自GaN表面剥离。有鑑于此，本文叙述一种新的垂直LED设计，乃采用“似钻膜”Diamond Like Carbon (DLC)为半导体和金属体的接口，不仅可避免软銲造成制造良率问题，也能舒解两种回异材料之间的应力。除此之外，DLC的热传导比铜快许多，因此以DLC为接口，可加速移除LED发光时产生的废热，而可能大幅延长使用寿命。

　　接口应力的问题

　　半导体(如GaN)和金属(如Ni-Cu)的接口极其脆弱。合金的热膨胀系数远大于GaN，在高电流密度下的温度较高处其接口应力会迅速上升。尤其在启动LED的瞬间电流自接口电阻最低处汇流时可能会产生爆点。除此之外，GaN晶格为六方晶系的würtzite结构，因此具有压电效应，界面应力产生的即时电场可以扰乱了LED内的电流分布。不仅如此，金属基材即使不自接口剥离，其膨胀也可能撑裂缺陷的某中区，以致在GaN内部产生更大的缺陷，加大的缺陷会形成微小的热点而造成光度衰淢的恶性循环。LED的电光效应因接口的疲劳会在数千小时后迅速降低。(如图6~7)

　　图6：各种材料的热传导率及热膨胀率的比较。图示钻石和铜的复合材料或“似钻膜”(DLC)不仅有较高的热传导率，也具有可调节的热膨胀率，因此能降低垂直LED的接口应力及加快散出电光效应产生的废热。

图7：LED寿命随接口应力加大而缩短的示意图。加大电流后寿命更会急遽衰减。