垂直结构LED——半导体照明发展的趋势

　　1、引言

　　目前，全球已步入“节能时代”，各国都在积极寻找节能环保的新兴产业，照明消耗的能源占全部能源消耗的20%以上，因此，降低照明用电是节省电力的重要途径。LED节能灯是新一代固体冷光源，具有低能耗、寿命长、易控制、安全环保等特点，是理想的节能环保产品，适用各种照明场所。然而，目前LED还未大规模进入普通照明，其主要原因之一是由于LED的性价比（lm/$）太低，市场需要快速提高LED性价比的方案。提高LED性价比的途径主要有两条，一是提高LED的发光效率，二是降低LED的生产成本。但是，效率的提升以及成本的下降的速度，还是达不到市场对LED性价比的期待。然而垂直结构LED能够保证在一定的发光效率的前提下，采用较大的电流去驱动，这样一个垂直结构LED芯片可以相当于几个正装结构芯片，折合成本只有正装结构的几分之一。因此，垂直结构LED必然会加速LED应用于普通照明领域的进程，是市场所向，是半导体照明发展的必然趋势。

　　2、GaN基垂直结构LED的优势

　　从LED的结构上讲，可以将GaN基LED划分为正装结构、倒装结构和垂直结构。目前比较成熟的III族氮化物多采用蓝宝石材料作为衬底，由于蓝宝石衬底的绝缘性，所以普通的GaN 基LED 采用正装结构。正装结构示意图如图1所示，有源区发出的光经由P 型GaN区和透明电极出射。该结构简单，制作工艺相对成熟。然而正装结构LED有两个明显的缺点，首先正装结构LED p、n 电极在LED 的同一侧，电流须横向流过n-GaN 层，导致电流拥挤，局部发热量高，限制了驱动电流；其次，由于蓝宝石衬底的导热性差（35Ｗ/(m?K)），严重的阻碍了热量的散失。

　　为了解决散热问题，美国Lumileds Lighting 公司发明了倒装芯片（Flipchip）技术。其结构示意图如图2所示，这种方法首先制备具有适合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同时制备相应尺寸的硅底板，并在其上制作共晶焊接电极的金导电层和引出导电层（超声波金丝球焊点）。然后，利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊在一起。到装结构在散热效果上有了很大的改善，但是通常的GaN基到装结构LED仍然是横向结构，电流拥挤的现象还是存在，仍然限制了驱动电流的进一步提升。

　　垂直结构可以有效解决正装结构LED的两个问题，垂直结构GaN基LED采用高热导率的衬底（Si、Ge以及Cu等衬底）取代蓝宝石衬底，在很大程度上提高了散热效率；垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，通过图形化的n电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，横向流动的电流极少，可以避免正装结构的电流拥挤问题，提高发光效率，同时也解决了P极的遮光问题，提升LED的发光面积。

　　3、垂直结构LED的制作方法

　　GaN基垂直结构LED工艺与正装结构LED工艺的最大差异在于，垂直结构LED需要引入衬底转移技术。所谓衬底转移技术是指用高热导率与高电导率的新衬底取代原有的生长衬底。具体的步骤分为两步，首先采用晶片键合的方法或者电镀的方法将新衬底与外延片粘合在一起，然后再利用激光剥离、研磨以及湿法腐蚀等方法将原生长衬底去掉。

　　4、GaN基垂直结构LED的发展状况

　　当前全球几大LED厂商，比如，美国Cree公司、德国Osram公司、美国Philips Lumileds公司、美国SemiLEDs都拥有自己GaN基垂直结构LED产品。此外，日本、韩国、台湾以及国内各大LED厂商都在积极开发GaN基垂直结构LED芯片工艺。

　　4.1国外GaN基垂直结构发展状况

　　美国Cree公司是目前世界上采用SiC作为衬底材料制造蓝光发光二极管用外延片和芯片的专业公司之一，该公司采用衬底转移技术将发光层转移在Si衬底上，有效地解决了芯片的散热问题和提高出光效率的问题。2006 年8 月，该公司推出EZBright 大功率LED 芯片，该芯片结构示意图如图6 所示。在350mA 电流下，该芯片的光功率可达到370mW。Cree公司的功率LED芯片产品EZ系列采用薄膜芯片技术已经达到业界领先的光效水平，据2011年5月的报道显示，Cree的白光LED器件研发水平已经达到231 lm/W，这是功率型白光LED有报道以来的最好成绩。

　　2007 年初，Lumileds 公司推出了薄膜倒装（TFFC）LED 产品，实际上薄膜倒装结构也是垂直结构LED的一种。由于技术的进步，使该产品可在任何环境中都能表现出最佳性能。使用TFFC技术的Luxeon K2 是专门为在1000mA 电流下工作而进行设计、分档和检测的LED。封装后LED 的热阻仅为5.5℃/W，热阻的降低使LED 可在更高电流下工作，降低了热量管理设计的投入和成本。经分档和测试的产品（光输出最小为160lm，1A 驱动电流）其光输出在更高驱动电流下很容易就超过了220lm。

　　德国Osram公司对比了四种结构的GaN基LED的光提取效率，其中“ThinGaN”芯片实际上就是垂直结构LED。该公司采用晶片键合与剥离技术将LED发光层转移到新衬底（GaAs衬底或Ge衬底）上。从图8可以看到，采“ThinGaN”芯片光提取效率最高达到75%，这说明薄膜结构LED 在光提取方面具有很大的优势。在产品方面，该公司于2007年开始销售可发出1000lm 光通量的白色LED“OSTAR Lighting”的最新版。该产品在输入功率为27W（工作电流700mA）时，可得到1000lm 的光通量，此时的发光效率约为37lm/W。把工作电流减小至350mA 时，发光效率可提高至75lm/W。以往的OSTAR Lighting 的光通量在27W 输入功率时约为600lm。此外，该公司还推出“Diamond DRAGON” 白色LED，该产品在工作电流为1.4A 时，可获得250lm的光通量，产品寿命为5万小时以上。

　　美国SemiLEDs 公司成立于2004 年，是继Osram和Cree之后，采用衬底转移技术商品化生产GaN基垂直结构LED的厂商。该公司首先推出金属Cu 基底的GaN基LED。

　　4.2国内GaN基垂直结构发展状况

　　国内北京大学最早开展GaN基垂直结构的研发，此后从研究机构到各大LED公司都陆续开展此方面的研发工作。同方光电于2008年开始涉足垂直结构LED的研发，经过两年多的努力，已经积累了一套Cu衬底电镀、整平以及蓝宝石剥离的完整技术。目前制作的垂直结构LED芯片，封装白光后效率可达到100lm/W以上。LED行业在经历了“337调查案”之后，专利也将成为竞争的焦点。目前，同方光电拥有垂直结构芯片制造专利10多项，已经有三项获得国家知识产权局授权，两项获得台湾专利局授权，一项获得美国专利局授权，为开展垂直结构的研发与生产奠定了良好基础。

　　5、结语

　　垂直结构LED凭借它适宜在大驱动电流下工作而获得高流明输出功率的优势，从而可获得高的性价比。因此，GaN基垂直结构LED是市场所向，是半导体照明发展的必然趋势，必将逐步成为主流产品。当前，几家国际大厂已实现量产，国内各厂虽然都纷纷开展研发工作，但是还没一家达到真正的量产水平。同方光电目前生产的垂直结构芯片，封装后其发光效率可达100lm/W以上。