浅析大功率LED芯片技术发展状况

时间:2021-05-23作者:佚名

  大功率芯片技术专注于如何提升出光效率来提升芯片的发光效率,主要技术途径和发展状况阐述如下:

  一:改变芯片外形的技术

  当发射点处于球的中心处时,球形芯片可以获得最佳的出光效率。改变芯片几何形状来提升出光效率的想法早在60年代就用于二极管芯片,但由于成本原因一直无法实用。在实际应用中,往往是制作特殊形状的芯片来提高侧向出光的利用效率,也可以在发光区底部(正面出光)或者外延层材料(背面出光)进行特殊的几何规格设计,并在适当的区域涂覆高防反射层薄膜,来提高芯片的侧向出光利用率。

  1999年HP公司开发了倒金字塔形AlInGaP芯片并达到商用的目标,TIP结构减少了光在晶体内传输距离、减少了内反射和吸收(有源区吸收和自由截流子吸收等)引起的光损耗、芯片特性大幅度改善,发光效率达100流明/瓦(100mA,610nm),外量子效率更达到55%(650nm),而面朝下的倒装结构使P-N结更接近热沉,改善了散热特性,提高了芯片寿命。

  二:键合技术

  AlGaInP和AlGaInN基二极管外延片所用的衬底分别为GaAs和蓝宝石,它们的导热性能都较差。为了更有效的散热和降低结温,可通过减薄衬底或去掉原来用于生长外延层的衬底,然后将外延层键合转移倒导电和导热性能良好热导率大的衬底上,如铜、铝、金锡合金、氮化铝等。键合可用合金焊料如AuSn、PbSn、In等来完成。Si的热导率比GaAs和蓝宝石都好,而且易于加工,价格便宜,是功率型芯片的首选材料。

  2001年,Cree推出的新一代XBTM系列背面出光的功率型芯片,其尺寸为0.9mmx0.9mm,顶部引线键合垫处于中央位置,采用"米"字形电极使注入电流能够较为均匀的扩展,底部采用AuSn合金将芯片倒装焊接在管壳底盘上,具有较低的热阻,工作电流400mA时,波长405和470nm的输出光功率分别为250mW和150mW。

  三:倒装芯片技术

  AlGaInN基二极管外延片一般是生长在绝缘的蓝宝石衬底上,欧姆接触的P电极和N电极只能制备在外延表面的同一侧,正面射出的光部分将被接触电极所吸收和键合引线遮挡。造成光吸收更主要的因素是P型GaN层电导率较低,为满足电流扩展的要求,覆盖于外延层表面大部分的半透明NiAu欧姆接触层的厚度应大于5-10nm,但是要使光吸收最小,则NiAu欧姆接触层的厚度必须非常薄,这样在透光率和扩展电阻率二者之间则要给以适当的折衷,折衷设计的结果必定使其功率转换的提高受到了限制。

  倒装芯片技术可增大输出功率、降低热阻,使发光的pn结靠近热沉,提高器件可靠性。2001年Lumileds报道了倒装焊技术在大功率AlInGaN基芯片上的应用,避免了电极焊点和引线对出光效率的影响,改善了电流扩散性和散热性,背反射膜的制备将传向下方的光反射回出光的蓝宝石一方,进一步提升出光效率,外量子效率达21%,功率换效率达20%(200mA,435nm),最大功率达到400mW(驱动电流1A,435nm,芯片尺寸1mmx1mm),其总体发光效率比正装增加1.6倍。

  四:全方位反射膜

  除在键合界面制备金属基反射层外,也可以通过外延技术生长具DBR层的AlInGaP和AlInGaN基芯片,但由于DBR反射率随着入射角的增加迅速减少,以全方位平均仍有较高的光损耗,反射膜效率不高。

  金属基全方位反射膜可应用于正装芯片也可应用于倒装芯片。金属基全方位反射膜可有效提升出光效率,但必须解决如何制备低阻欧姆接触,高的全方位反射率,和在后续工艺过程中反射膜不会被损害而失去低阻高反射的特性等。

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