二 芯片结构和衬底

　　LED衬底的趋势：

　　不确定是Si，SiC，蓝宝石中的一种。

　　但可能会是完全剥离原来的生长衬底，并与新基底结合的趋势。

　　对衬底的要求：

　　1、结构特性好，晶圆材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小。

　　2、接口特性好，有利于晶圆料成核且黏附性强。

　　3、化学稳定性好，在晶圆生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀。

　　4、热学性能好，包括导热性好和热失配度小。

　　5、导电性好，能制成上下结构。

　　6、光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小。

　　7、机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等。

　　8、价格低廉。

　　9、大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。

　　三种衬底比较

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　　SiC衬底

　　化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光;

　　价格太高、晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差;

　　吸收380nm以下的紫外光，不适合380nm以下的紫外LED。

　　优异的的导电性能和导热性能，不需要像Al2O3衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构。

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　　硅衬底

　　硅衬底的芯片电极有两种接触方式，分别是L接触(Laterial，水平接触)和V接触(Vertical，垂直接触)，LED芯片内部电流可以是横向也可以是纵向流动的。

　　电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性 能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。

　　硅衬底上生长的GaN基LED与其他衬底相比，性能上有差距，发光效率和可靠性有待进一步提高和验证。

　　硅衬底研发水平最好达到160lm/W，而蓝宝石目前普遍水平能达到110lm/W，研发水平也达到了249lm/W。

　　普瑞光电8英寸硅衬底芯片色温为4700K时，光效已达到160lm/W;色温为3000K时,光效已达到125lm/W，显色指数可达到80。

　　欧司朗标准Golden Dragon Plus LED封装中的蓝光UX:3芯片在3.15V时亮度可达634mW，如果再结合标准封装中的传统荧光粉转换，这些白光LED原型在350mA电流下亮度将达到140lm，色温为4500K时将实现127lm/W的光效。

　　晶能光电2英寸硅衬底量产芯片，色温为5000K时，350mA下普遍光效超过110lm/W，6寸硅衬底芯片研发取得重大进展，性能和2寸片相当，目前正筹备6寸量产制程设备。

　　飞利浦、三星也均在硅衬底方面展开研究，而三星从8英寸大尺寸入手。

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　　蓝宝石衬底

　　化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟;

　　不足方面虽然很多，但均被克服，

　　很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服

　　导电性能差通过同侧P、N电极所克服

　　机械性能差不易切割通过雷射划片所克服

　　很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂

　　但差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。

　　晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。

　　正装结构

　　P型GaN传导性能不佳，需在P区表面蒸镀一层Ni-Au金属电极层。

　　P区为获得好的电流扩展，Ni-Au金属电极层不能太薄，器件的发光效率受到很大影响，要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素。

　　金属薄膜的存在，总会使透光性能变差。引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响。

　　GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题。

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　　倒装结构

　　①基材是硅;

　　②电气面及焊凸在元件下表面;

　　③组装在基板后需要做底部填充

　　或者完全去掉衬底材料直接和金属衬底接触，例如台湾旭明光电。

　　如何克服蓝宝石衬底的缺点?

　　铟锡氧化物(Indium Tin Oxide; ITO)电流传输层。

　　覆晶结构(Flip-chip) 。

　　光输出表面粗糙化。

　　垂直电极(Vertical Electrode) 。

　　使用22°底切側壁。

　　图形化蓝宝石基板。

　　电流阻挡层(Current Block Layer) 。

　　使用氧化镍/铟锡氧化物欧姆接触。

　　在MQW与p-GaN层之间多做一层p-AlGaN。

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　　解析LED发光效率 68%电能转化为热量。

　　相关指标：

　　①內部量子效率(Internal Quantum Efficiency)：电流转化为光子的能力

　　②光取出率(Light Extraction Efficiency)：将光子从半导体中萃取出来的能力

　　③外部量子效率(External Quantum Efficiency)：电流转化为萃取出来的光子的能力

　　内量子效率提高(与芯片更相关)：

　　1.电流分布均匀

　　A.覆晶结构—导电弱的P型材料接触衬底

　　代表：飞利浦lumileds，深圳晶科

　　B. 改Au/Ni电极为ITO

　　ITO的特点：硬度高，有很高的电子传导率，光学吸收系数低

　　代表：晶元光电，上海蓝光

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　　C. 改为小面积多晶组合的HV

　　晶面被分割后，电流分布均衡，防止局部过热

　　代表：晶元光电

　　D. 垂直电极结构

　　电流分布更均匀

　　代表：

　　旭明--衬底彻底剥离后直接附着金属电极

　　Cree—SiC导电衬底

　　晶能—导电硅电极

　　2. 降低Vf和电极接触处电阻损耗

　　氧化镍/铟锡氧化物欧姆接触

　　欧姆接触，降低Vf，降低电阻损耗，提高了内量子效率

　　3.外延材料的设计

　　A.双异质结结构

　　B.激活层(AL：Active layer)掺杂

　　C.包覆层(CL:Cladding layer)掺杂

　　D.晶格匹配

　　E.PN结移位

　　F.非辐射复合中心

　　代表：华灿光电拥有的核心技术在外延生长、量子阱技术、外量子效率以及芯片工艺与制造方面都取得了突破性的进展

　　内量子效率技术现状：

　　现在内量子效率一般超过90%，因此已经不是提升的重点。

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　　提高外量子效率(与封装的关系更为密切)：

　　1、换为透明衬底或在有吸收功能的衬底上加反射镜

　　(反射镜一般采用高反光金属材料如AL和Ag)

　　外量子现状效率：

　　目前30%-40%，是重点提高的对象

　　旭明光电：

　　①垂直结构，电流分布均匀

　　②金属反射层，提高光萃取率

　　③表面图形电极，提高光萃取率

　　④金属衬底，提高散热

　　2、采用半圆形球面(一般LED光因临界角被限制而不易射出，做成半圆形球面使光不受临界角限制)

　　GaN折射率2.3，全反射角29°，出光率<32%

　　3、覆晶结构

　　A.蓝宝石折射率介于GaN和空气之间，可以提高光出射的全反射角

　　B.避免电极垫遮光，扩大出光面积

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　　4、表面采用织状结构或粗糙面以增加光的射出面

　　5、改变几何形状(一般LED为平面正方形长方形结构，此些结构容易制造但限制了光的输出)。

　　如改成漏斗形后光更容易的输出。

　　6. 封装材料的选择

　　A.高透光率(树脂的透光率高于硅胶)

　　B.匹配良好的折射率(GaN>Al2O3>树脂>空气)

　　C.抗UV,防黄变特性

　　D.高的耐温和应力特性

　　B. 匹配良好的折射率

　　GaN类倒装芯片封装的LED的出光通道折射率变化为：

　　有源层(n=2.4)→蓝宝石(n=1.8)→环氧树脂(n=1.5)→空气(n=1);

　　GaN类正装芯片封装的LED的出光通道折射率变化为：

　　有源层(n=2.4)→环氧树脂(n=1.5)→空气(n=1)

　　采用倒装芯片封装的LED的出光通道折射率匹配比正装芯片要好，出光效率更高。

　　7. 荧光材料

　　A.荧光粉涂覆方式

　　B.荧光粉效率

　　接下来将介绍：

　　LED失效模式，敬请关注。