功率型LED的进展(一)

张万生    布良基

信息产业部电子第十三研究所 邮编 050051

广东省佛山光电器材公司 邮编 528000

 一、引言

功率型LED研制起始于上一世纪60年代中期的GaAs红外光源，由于其可靠性高，体积小、重量轻、可在低电压下工作而被首先用于军用夜视仪，以取代原有的白炽灯。80年代 InGaAsP/InP双异质结红外光源被用于一些专用的测试仪器，以取代原有体积大。寿命短的氙灯，这种红外光源的直流工作电流可达1A，脉冲工作电流可达24A。红外光源虽属早期的功率型LED，但它一直发展至今，产品不断更新换代，使用更加广泛，并成为当今可见光功率型LED发展可继承的技术基础。

可见光功率型LED起源于上一世纪皿年代超高亮度LED应用领域的拓展。1991年红、橙、黄色Al-GaInP超高亮度LED的实用化揭开了LED发展新篇章，使LED的应用从室内走向室外，成功的用于各种交通信号灯，汽车的尾灯、方向灯以及户外信息显示屏。蓝色、绿色AlGaInN超高亮度LED的相继研制成功，实现了LED的超高亮度全色化，然而用于照明则是超高亮度LED拓展的又一全新领域，用LED固体灯取代白炽灯和荧光灯等传统玻壳照明光源已成为本世纪未来的发展目标。因此可见光功率型LED的研发和产业化将成为今后发展的另一重要方向，其技术关键是不断提高发光效率（Lmn/W）和每一器件（组件）发光通量。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，虽然其内量子效率还需进一步提高，但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片取光效率很低。目前由于沿用了传统的指示灯型LED封装结构，工作电流一般被限定为为 20mA。按照这种常规理念设计和制作的可见光功率型LED根本无法达到高效率和高通量的要求。为提高可见光功率型LED的发光效率和发光通量，满足照用要求，则必须采用新的设计理念，一方面通过设计新型芯片结构来提高取光效率；另一方面通过增大芯片面积，加大工作电流、采用低热阻的封装结构来提高器件的光电功率转换效率。因此设计和制作新型芯片和封装结构，不断提高器件的取光效率和光电转换效率一直是可见光功率型LED发展中至关重要的课题，本文将对这方面的最近进展作一综述和介绍（为简便起见，以下所称功率型LED即可见光功率型LED。

二、功率型 LED芯片

LED的外量子效率取决于外延材料的内量子效率和芯片的取光效率。由于超高亮度LED采用了MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，在精确控制生长和掺杂以及减少缺陷等方面取的突破性进展，其外延片的内量子效率已有很大提高，AlGaInd虽不及AIGaInP，但波长615nmAlGaInP的内量子效率已接近极限100％，由于半导体与封装环氧的折射率相差较大，致使内部的全反射临界角很小，有源层产生的光只有小部分被取出，大部分在芯片内部经多次反射而被吸收，成为超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因，提高取光效率主要有以下几种结构:

1．AlGaInP透明衬底（TS）梯形功率型LED芯片结构

自从超高亮度AlGaInPLED问世以来,各厂家都一直都在通过采用新型芯片结构来提高AlGalnP芯片的取光效率，这些结构包括：一次外延较厚窗口层和布拉格反射层，二次外延生长厚窗口层和电流阻挡层。采用晶片键合（Waferbonding）以透明的GaP衬底（TS）取代吸光的Gas衬底（AS）等。它们对LED芯片的取先效率都有不同程度的提高，其中效果最佳者属美国HP公司所独有的二次外延厚窗口层（60μm）和晶片建合的透明衬底（TS）结构，如图1（a）所示的小结面积（0.3mm2）的常规LED芯片，其发光通量为为吸收衬底(AS）的2-3倍，流明效率一般超过50lm/W，波长6llnm时可达102m/W,波长590—611nm。的外量子效率一般为15％,652nm时可达 55％，smm封装的光通量一般为 5-1O流明。为提高其发光通量，于1998年制研了功率型大结面积（0.5mm2）的透明衬底（TS）芯片，如图l（b）所示，尽管大芯片会对侧面出光带来不利影响，从而使外量子效率有所降低，但其发光通量却为TS小结面积的5倍。200O年该公司又推出了 TS倒梯形结构的功率型大结面积芯片，如图1（c）所示，590－640nm波长范围、直流工作电流500mA的发光通量大于 60ln，大约相当于 100－350mW的光功率，达到了创纪录的水平。这种芯片的 P-I特性如图1所示，其电流密度均为传统规范值40mA/cm2，以脉冲方式工作时则可达到140流明。从直流和脉冲两种工作方式可以看出芯片的导热性能和封装的热设计对降低结温提高发光通量是何等的重要。

2．InGaAIP（AS）纹理表面结构的功率型LED芯片结构

采用晶片键合技术的AlGaInP（TS）LED性能虽好，但因其技术复杂，生产成本高而难于广泛使用，为解决这一问题，进一步提高超高亮度AlGaInPLED的市场潜力，必须做到发光效率高。生产成本低。按照这一理念，德国 Osram公司于2001年研制出新一代的InGaAIPLED芯片，采用最新设计将芯片窗口层表面腐蚀层锻够提高取光效率的纹理结构，如图2所示。其取光模式如图3所示，芯片表面纹理的基本单元为具有斜面的三角形结构，光子的反射路线被封闭在这样的结构之中，使有源层发出的光子能够更有效地被取出，或者如图3（a）所示、通过不同的表面直接射出，或者如图3(b)所示、经多次反射后通过改变人射角再射出。欧姆接触电极的几何图形位于取光结构注人电流的部位，这样可使注人电流更有效的扩展到有源区。外延片的布拉格反射层被设计成具有较宽的反射角度，这样可使芯片背反射的大部分被覆盖。采用这种纹理表面结构的InGaAlP（AS）LED芯片可以获得大于50％的外量子效率，芯片封装后的功率转换效率超过 30Lm/W，是常规InGaAlP（AS）LED的2倍，与采用晶片键合技术的透明衬底（TS）LED性能相当。

纹理表面结构对光束角特性没有影响，不仅可取代常规的方形芯片。而且还可以很容易按比例放大成为功率型的大尺寸芯片，如图3所示。这种芯片可在4英寸GaAs衬底上通过MOCVD一次外延直接生长成高内量子效率的外延片，并可采用常规的芯片制造技术进行大规模生产。而晶片键合透明衬底的In-GaAlP（TS）LED由于技术复杂却只能采用3英寸的GaAs衬底，因此在降低生产成本和实现产业化规模生产方面，纹理表面高效取光结构的InGaAlP（AS）LED具有广阔的发展前景。

3．AlGalnN／蓝宝石功率型 LED芯片倒装结构

为满足光源对高发光通量的需求，美国AXT公司将 AlGaInd芯片面积由常规的0.325mm X 0.375mm增大至 1.26mm X1.26mm制成的P2系列大结面积正面出光的功率型LED芯片如图4所示，能够在大电流350mA下工作，不同波长450nm、505nm、525um下的辐射通量分别为35mW、30mW、27mW，流明效率分别为 6lm／W、12.5lm/W、17.5lm／W，尽管对芯片结构进行了优化设计，具有良好的电流扩展和背反射层,但其取光效率仍然受到了很大的限制，其原因是:AlGaInN一般是外延生长在绝缘的蓝宝石衬底上，欧姆接触的P电极和N电极只能在外延表面的同一侧，正面射出的光将被接触电极吸收和健合引线遮挡。然而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500A，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

美国LumiLeds公司 2001年研制出的 AlGaInN功率型例装芯片（FCLED）结构则使这一突出矛盾得到了解决，如图5所示，这种结构是通过透明的蓝宝石衬底取光，这样不仅能避免P型、N型欧姆接触电极吸光和键合引线的挡光影响，而且还可不必考虑NiAu 欧姆接触层的透光性将其厚度增至 500A以上，从而改善了注人电流扩展的效果，降低了正向压降；同时还起到了背反射作用，将有源层发出的光经过底部的NiAu层反射，从蓝宝石衬底取出，因此AlGaInN倒装芯片结构使取光效率有了明显提高。其制作过程大致如下：（1）在外延片顶部的P型GaN:Mg淀积厚度大于500A的NiAu层，用于欧姆接触和背反射;（2）采用掩模选择刻蚀掉P型层和多量子阱有源层,露出N型层;（3）淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层，芯片尺寸为1 Xlmm2,P型欧姆接触为正方形周欧姆接触以梳状插入其中，这样可缩短电流扩展距离，把扩展电阻降至最小；（4）将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上；（5）通过倒装AlGaInN芯片的硅载体与管壳底盘进行电气连接，并将其封装在具有良好光学特性。允许大电流和高温工作的管壳之中。为便于比较起见，图6同时给出了AlGaInN不同结构P－I特性、其中有：功率型AlGaInN背面出光（倒装芯片）LED结面积0.7mm2）、功率型AlGaInN正面出光LED（结面积0.7mm2）、常规型AlGaI-nNLED（结面积O.07mm2）三种器件，如图6所示，常规型LED由于较小的芯片尺寸，在大电流（150mA）下工作仅几小时就出现明显退化而永久失效，而功率型LED即使在IA电流下工作也都未出现功率下降和失效，同时还可看出功率型LED的背面出光比正面出光具有更高的功率转换效率，在200mA电流下光通量约为16Lm（～27Lm/W），在1A电流下可达到48Lm。图7给出了正面出光和背面出光两种功率型LED在不同波长下的外量子效率，为便于对它们的特性进行比较，两种器件均来自于同一外延片，并采用脉冲方式工作，以避兔热阻的影响。由图7可见，在驱动电流25—1000mA和蓝光到绿光波长的覆盖范围内，功率型LED背面出光比正面出光的外量子效率大1.6倍，具有更高的取光效率。AlGaInN功率型倒装芯片LED的优异性能还可从图8.输出光功率（mW）、外量子效率（hext）与驱动电流（DC）的中特性曲线中看出：该器件在正向电流200mA、正向电压2.95V下的外量子效率为21％；正向电流1A、正向电压的3.3V时光输出功率约为400mW；200mA时的功率转换效率20％。该器件给出工作寿命试验数据也是非常令人满意的:当热沉温度为55℃、电流密度为50A/cm2时，80支器件1000小时连续工作的光输出功率仅下降3％。上述结果表明：AlGaInN功率型例装芯片（FC）LED的性能是最优异的，它将把氮化镓LED固体光源的应用推向一个新水平。

4．AlGaInN/碳化硅（SiC）背面出光的功率型LED芯片结构

美国Cree公司是采用SiC衬底制造AlGaInN超高亮度LED的全球唯一厂家，几年来AlGaInN／SiC芯片结构不断改进，亮度不断提高。由于P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部，单引线键合，兼容性较好，使用方便，因而成为AIGalnN LED发展的另一主流。图9示出了AlGaInN／SiC正面出光(a)和背面出光(b)的两种结构，芯片尺寸为 0.3mm X 0.3mm。由于背面出光结构芯片中的内部反射光可通过背面的反射层有效地从正面取出，因而亮度比正面出光结构提高 50％，UV（395—405nm）芯片的外量子效率约为25％。2001年该公司推出的新一代XBTM系列背面出光的功率型LED芯片如图10（a）、（b）、（c）所示，芯片尺寸为0.9mm X 09mm，顶部引线键合垫（直径122μm）处于中央位置,“米”宇形电极（宽度30μm）使注人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405nm和470nm的输出光功率分别为250mW和150mW。由于SiC不仅导电而且具有良好的导热性能，适宜做成耐高温的功率型器件，因此AlGaInN／SC）面出光的功率型LED在未来的照明变革中将是一种非常有竞争力的固体光源。

三、功率型LED的封装

超高亮度LED作为信号灯和其它辅助照明光源应用时一般是将多个φ5mm封装的各种单色和白光LED组装在一个灯盘或标准灯座上，并声称寿命可达到10万小时。2000年已有研究文章指出，φ5mm白光LED工作 6000小时后，其光强已降至原来的一半，事实上，采用φ5mm白光 LED阵列的发光装置，其寿命可能只有5000小时。不同颜色的LED的光衰减不同，红色最慢、蓝、绿色居中，白色最快。由于φ5mm封袋的LED原来仅用于指示灯，其封装热阻高达300℃/W，不能满足充分的散热，致使LED芯片的温度升高，造成器件光衰减加快。此外环氧树脂变黄也将使光输出降低。大功率LED在大电流下产生比φ5mm白光LED大10~20倍的光通，因此必须通过使用有效的散热和采用不劣化的封装材料解决光衰减问题，管壳及封装已成为研制大功率LED的关键技术之一，全新的 LED功率型封装设计理念主要归为两类，一是单芯片功率型封装；另一是多芯片功率型封装。

 1．功率型LED的单芯片封装

1998年美国Lminled公司研制的Luxeon系列大功率LED固体光源管壳及封装结构如图11（a）、（b）所示。这种LED功率型单芯片封装与常规的LED5mm封装结构．全然不同,它是将正面出光的LED芯片直接焊接在热沉上，或者将背面出光的LED芯片先例装在具有焊料凸点的硅载体上，然后再将其焊接在在热沉上，使大面积芯片在大电流下工作的热特性得到该善。这种封装对于取光效率、散热性能和电流密度的设计都是最佳的。主要有以下特点：

（1）热阻低。常规5mm型LED较小的芯片尺寸和传统环氧封装具有很高的高热阻，而这种新型封装结构的热阻一般仅为14℃/W，可比常规LED减小约20倍。

（2）可靠性高。内部填充稳定的柔性胶凝体，在一40℃－120℃的范围内，不会因温度骤变产生的内应力使金丝和框架引线断开。用这种硅橡胶作为光耦合的密封材料，它不会出现普通光学环氧树脂那样的变黄现象；金属引线框架也不会因氧化而沾污。

（3）反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高

在应用中可将它们组装在一个带有铝夹层的电路板（铝芯PC板）上，电路板作为器件电极连接的布线之用，铝芯夹层则可作为功率型LED的热沉，这样不仅可获得较高的发光通量，而且还具有较高的光电转换效率。表1，列出的美国Lumiled公司研制的Luxeon系列大功率LED的效率水平。

 2．功率型LED的多芯片组合封装

2001年美国UOE公司研制的多芯片组合封装的NorLux系列功率型LED照片示于图12（a）、（b）。这种新型封装结构采用六角形铝板作为衬底，这是为了使它们在一起有效地进行组装。 
 
  
六角形铝衬底的直径为1.25英寸，发光区位于其中央部位，直径约为0.375英寸，可容纳40个LED芯片。用铝板作为热沉，并使它不导电＊芯片的键合引线是通过在衬底上做成的两个接触点与正极和负极连接。根据所需输出光功率的大小来确定衬底上排列管芯的数目，组合封装的超高亮度芯片包括AlGaInN和AlGaInP，它们的发射光可为单色、彩色（RGB）白色(RGB三基色合成或蓝色黄色二元合成)。最后采用高折射率的材料按照光学设计形状进行封装，不仅取光效率高，而且还能够使芯片和键合的引线得到保护。由40个AlGInP（AS）芯片组合封装的LED流明效率为20lm/W。表2.列出了NORLUX系列多芯片组合封装功率型LED的光电性能参数。采用RGB三基色合成白光的组合封装模块当混色比为0:43R:0.48G:0.009B时，发光通量典型值为100Lm，CCT标准色温为4420°K,色坐标X为 0.3612,Y为0.3529。由此可见，这种采用常规芯片进行高密度组合封装的功率型 LED可以达到较亮的亮度水平,不权可作为光耦合的理想光源，而且还由于热阻低，可在大电流下工作。具有较高的光输出功率，因而是一种切实可行很有推广前景的功率型LED固体光源。

四、应用及前景

1. 应用

超高亮度功率型LED大大扩展了LED在各种信号显示和照明光源领域的应用，主要有汽车内外灯和  各种交通信号灯，包括城市交通、铁路、公路、机场、海港灯塔、安全警示灯等。功率型白光见作为专用照明光源已开始用与汽车和飞机内的阅读灯，在便携式照明光源如钥匙灯、手电筒。背光源及矿工灯等应用方面也得到越来越多的应用，白光除三基色合成外，还可通过将一种特制的磷光体涂敷在GaN蓝色或紫外波长的功率型 LED芯片上形成白光。功率型 LED在建筑物装饰光源、舞台灯光、商场橱窗、广告灯箱、庭院草坪照明、城市夜景等方面与其同类产品相比显示出了它独有的特点。使用超高亮度功率型红、绿、蓝三基色LED，可制成结构紧凑发光效率比传统白炽灯光源高的多的数字式调色调光光源．配合计算机控制技术．可得到极其丰富多彩的发光效果。超高亮度功率型LED所具有的低电压。低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠等优点，在军事上还可作为野战、潜水。航天、航空所需的特种固体光源。

 2．前景

器件结构的进步，取光和热沉优化设计使大功率LED发光效率和发光通量不断提高，由多个5mmLED组装的灯盘和灯头将被由功率型LED组装的灯芯所取代。图13给出了LED发光通量增加的历程和未来的发展趋势，其发光通量以每一个封装的LED计，由图可以看出：从1970年至2000年的最近30年以来，光通量大约每 18—24个月要增加 2倍。自 1998年 NorLux系列功率型 LED问世后，发光通量的增加趋势则更快。

功率型LED对建筑和装饰设计具有重大的影响，设计师可将整个LED固体光源系统装人墙壁、天花板  甚至地板上，由于LED具有非常长的寿命，将不需要更换灯泡，功率型LED光源产品将成为建筑物的一个  组成部分，并将形成一个全新的产业方向。

随着超高亮度LED性能的改进，LED照明光源引起了照明领域的更大的关注，普通照明市场的需求是巨大的，功率型LED白光技术将更能适应普通照明的应用；只要LED产业能持续这一开发方向，则LED固  体照明在未来510年将会取得重大的市场突破。

五、结语

半导体照明是21世纪最引人瞩目的的新技术领域之一，功率型LED作为一种高效的环保的绿色固体光源将在本世纪迅速发展并得到越来越广泛的应用。我国目前虽已有许多厂家以产、学、研相结合的方式进行AlGaInP和AlGaInN外延材料的研制和生产，但外延片的内量子效率与国际水平尚有一定差距；芯片和封装大多仍沿袭传统的设计理念和制造模式。因此采用功率型芯片和封装结构来提高 LED的取光效率，研制出散热和光学性能良好的功率型LED，并由此推动LED固体光源的应用仍将是我们国内LED产业面临的主要技术课题：

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