中心議題:
解決方案:
- 高壓發(fā)光二極體的效率優(yōu)于傳統(tǒng)低壓發(fā)光二極體
- 高壓發(fā)光二極體建立有關(guān)的模擬光、電及熱模型
最近幾年由于技術(shù)及效率的進步，LED的應(yīng)用越來越廣；隨著LED應(yīng)用的升級，市場對于LED的需求，也朝更大功率及更高亮度，也就是通稱的高功率LED方向發(fā)展。
對于高功率LED的設(shè)計，目前各大廠多以大尺寸單顆低壓DC LED為主，做法有二，一為傳統(tǒng)水平結(jié)構(gòu)，另一則為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。就第一種做法而言，其製程和一般小尺寸晶粒幾乎相同，換句話說，兩者的剖面結(jié)構(gòu)是一樣的，但有別于小尺寸晶粒，高功率LED常常需要操作在大電流之下，一點點不平衡的P、N電極設(shè)計，都會導(dǎo)致嚴(yán)重的電流叢聚效應(yīng)(Current crowding)，其結(jié)果除了使得LED晶片達不到設(shè)計所需的亮度外，也會損害晶片的可靠度(Reliability)。
當(dāng)然，對上游晶片製造者／晶片廠而言，此作法製程相容性(Compatibility)高，無需再添購新式或特殊機臺，另一方面，對于下游系統(tǒng)廠而言，週邊的搭配，如電源方面的設(shè)計等等，差異并不大。但如前所述，在大尺寸LED上要將電流均勻擴散并不是件容易的事，尺寸愈大愈困難；同時，由于幾何效應(yīng)的關(guān)係，大尺寸LED的光萃取效率往往較小尺寸的低。
圖：低壓二極體、交流二極體及高壓二極體驅(qū)動方式的差異。
第2種做法較第1種復(fù)雜許多，由于目前商品化的藍光LED幾乎都是成長于藍寶石基板之上，要改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，必須先和導(dǎo)電性基板做接合之后，再將不導(dǎo)電的藍寶石基板予以移除，之后再完成后續(xù)製程；就電流分布而言，由于在垂直結(jié)構(gòu)中，較不需要考慮橫向傳導(dǎo)，因此電流均勻度較傳統(tǒng)水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)為佳；除此之外，就基本的物理塬理而言，導(dǎo)電性良好的物質(zhì)也具有高導(dǎo)熱的特質(zhì)，藉由置換基板，我們同時也改善了散熱，降低了接面溫度，如此一來便間接提高了發(fā)光效率。但此種做法最大的缺點在于，由于製程復(fù)雜度提高，導(dǎo)致良率較傳統(tǒng)水平結(jié)構(gòu)低，製作成本高出不少。
高壓發(fā)光二極體(HV LED)基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)
晶元光電于全球率先提出了高壓發(fā)光二極體(HV LED)作為高功率LED的解決方案；其基本架構(gòu)和AC LED相同，乃是將晶片面積分割成多個cell之后串聯(lián)而成。其特色在于，晶片能夠依照不同輸入之電壓的需求而決定其cell數(shù)量與大小等，等同于做到客製化的服務(wù)。由于可以針對每顆cell加以優(yōu)化，因此能夠得到較佳的電流分布，進而提高發(fā)光效率。
高壓發(fā)光二極體和一般低壓二極體在技術(shù)上最主要的差異有叁，第一為溝槽(Trench)。溝槽的目的在于將復(fù)數(shù)顆的晶胞獨立開來，因此其溝槽下方需要達到絕緣的基板，其深度依不同的外延結(jié)構(gòu)而異，一般約在4~8um，溝槽寬度方面則無一定的限制，但是溝槽太寬代表著有效發(fā)光區(qū)域的減少，將影響HV LED的發(fā)光效率表現(xiàn)，因此需要開發(fā)高深寬比的製程技術(shù)，縮小製程線寬以增加發(fā)光效率。
第二為絕緣層(Isolation)，若絕緣層不具備良好的絕緣特性，將使整個設(shè)計失敗，其困難點在于必須在高深寬比的溝槽上披覆包覆性良好、膜質(zhì)緊密及絕緣性佳的膜層，這也是單晶AC LED製程上的關(guān)鍵。
第三個是晶片間的互連導(dǎo)線(Interconnect)。一般而言，要做到良好的連結(jié)，導(dǎo)線在跨接時需要一個相對平坦的表面，一個深邃的階梯狀結(jié)構(gòu)將使得導(dǎo)線結(jié)構(gòu)薄弱，在高電壓、高電流驅(qū)動下易產(chǎn)生毀損，造成晶片的失效，因此平坦化製程的開發(fā)就變得重要。理想的狀態(tài)是在做絕緣層時，能一併將深邃的溝槽予以平坦化，使互連導(dǎo)線得以平順連接。
此外，高壓發(fā)光二極體在應(yīng)用上和一般低壓二極體最主要的不同點為，它不僅僅能夠應(yīng)用于定直流(Constant DC)中，只要外接橋式整流器，它也能夠應(yīng)用于交流環(huán)境，非常具有彈性。在高壓發(fā)光二極體中，外部整流器捨棄AC LED採用同質(zhì)氮化鎵的做法而改採用硅整流器，不僅使得耗能少，更可防止逆向偏壓過大對晶片所造成的影響；最后，因為高壓發(fā)光二極體較AC LED少了內(nèi)部橋整的發(fā)光區(qū)，使發(fā)光效率相對較高，耐用度也較佳。
作為大尺寸、高功率LED的解決方案
高壓發(fā)光二極體的效率優(yōu)于一般傳統(tǒng)低壓發(fā)光二極體，主要可歸因為小電流、多cell的設(shè)計能均勻地將電流擴散開來，進而提升光萃取效率。在一些應(yīng)用當(dāng)中，除了需要考慮晶片本身效率外，最終產(chǎn)品的售價也是一項重要指標(biāo)；例如在當(dāng)前照明領(lǐng)域中，LED燈源仍不被視為主流性產(chǎn)品，關(guān)鍵點在于其售價仍舊偏高。LED燈源價格高昂的塬因，除了晶片本身的價格之外，尚需要考慮整體的物料清單(Bill of material；BOM)，例如由于發(fā)光二極體本質(zhì)上為一具有極性的元件，必須供給一順向偏壓才得以點亮，因此一般LED照明光源內(nèi)都必須附加交流轉(zhuǎn)直流(AC/DC)的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，這是必須付出的成本。
又因LED本身體積小，熱源容易集中，而造成所謂熱點(Hot spot)現(xiàn)象，使得發(fā)光元件本身壽命變短。為了解決熱點的問題，LED燈源上的散熱設(shè)計也不可缺少，目前散熱設(shè)計方面以金屬散熱片最為常見，但金屬散熱片除了增加燈源的重量，也增加燈源的成本。由于高壓發(fā)光二極體本身效率高，會減少廢熱及對散熱的需求，進而削減成本；從電源轉(zhuǎn)換的角度而言，高電壓小瓦數(shù)的電源轉(zhuǎn)換器如返馳拓僕式電路，除了體積小外，因為採用的元件少，成本也較低。因此，高壓發(fā)光二極體的優(yōu)點不僅在于晶片本身，它能直接或間接進一步提升整體模組的效率。
總括而言，在應(yīng)用及設(shè)計上，單晶片的高壓發(fā)光二極體有下列好處：
1、節(jié)省變壓器能量轉(zhuǎn)換的損耗及降低成本。
2、除了高電壓直流的應(yīng)用外，利用外部橋式整流電路也可設(shè)計于交流下操作。
3、體積小不佔空間，對封裝及光學(xué)設(shè)計都具有極佳的運用彈性。
4、除了紅色螢光粉外，也可以運用藍、紅HV LED搭配適當(dāng)?shù)狞S、綠色螢光粉製成更高效率的高CRI暖白LED。
目前在晶元光電中，會首先依據(jù)客戶的各項參數(shù)需求，做設(shè)計準(zhǔn)則的基本檢查；進一步根據(jù)相關(guān)的光、電及熱模型執(zhí)行模擬，決定單位晶胞的大小、數(shù)目及最終產(chǎn)品呈現(xiàn)形式后，再加以實踐驗證；并根據(jù)實踐所收集到的資料，驗證塬始設(shè)計，或是加以修改達到優(yōu)化的結(jié)果。目前晶元光電研發(fā)中心已經(jīng)著手進行高壓發(fā)光二極體相關(guān)模擬光、電及熱模型的建立。
總結(jié)：
本文著重討論了高壓LED基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)在個主題，并通過討論低壓二極體、交流二極體及高壓二極體驅(qū)動方式的差異，從而得出單晶片的高壓發(fā)光二極體具有眾多的好處，它可以作為大尺寸、高功率LED的解決方案，高壓發(fā)光二極體的效率優(yōu)于一般傳統(tǒng)低壓發(fā)光二極體，主要可歸因為小電流。發(fā)現(xiàn)了這一點，可以為工程師選擇合適的元器件提供了參考的價值。