高压LED基本结构及关键技术分解

最近几年由于技术及效率的进步，LED的应用越来越广；随着LED应用的升级，市场对于LED的需求，也朝更大功率及更高亮度，也就是通称的高功率LED方向发展。  

　　对于高功率LED的设计，目前各大厂多以大尺寸单颗低压DC LED为主，做法有二，一为传统水平结构，另一则为垂直导电结构。就第一种做法而言，其製程和一般小尺寸晶粒几乎相同，换句话说，两者的剖面结构是一样的，但有别于小尺寸晶粒，高功率LED常常需要操作在大电流之下，一点点不平衡的P、N电极设计，都会导致严重的电流丛聚效应(Current crowding)，其结果除了使得LED晶片达不到设计所需的亮度外，也会损害晶片的可靠度(Reliability)。 

　　当然，对上游晶片製造者／晶片厂而言，此作法製程相容性(Compatibility)高，无需再添购新式或特殊机台，另一方面，对于下游系统厂而言，週边的搭配，如电源方面的设计等等，差异并不大。但如前所述，在大尺寸LED上要将电流均匀扩散并不是件容易的事，尺寸愈大愈困难；同时，由于几何效应的关係，大尺寸LED的光萃取效率往往较小尺寸的低。 

                     图：低压二极体、交流二极体及高压二极体驱动方式的差异。 

　　第2种做法较第1种复杂许多，由于目前商品化的蓝光LED几乎都是成长于蓝宝石基板之上，要改为垂直导电结构，必须先和导电性基板做接合之后，再将不导电的蓝宝石基板予以移除，之后再完成后续製程；就电流分布而言，由于在垂直结构中，较不需要考虑横向传导，因此电流均匀度较传统水準结构为佳；除此之外，就基本的物理塬理而言，导电性良好的物质也具有高导热的特质，藉由置换基板，我们同时也改善了散热，降低了接面温度，如此一来便间接提高了发光效率。但此种做法最大的缺点在于，由于製程复杂度提高，导致良率较传统水平结构低，製作成本高出不少。 

　　高压发光二极体(HV LED)基本结构及关键技术

晶元光电于全球率先提出了高压发光二极体(HV LED)作为高功率LED的解决方案；其基本架构和AC LED相同，乃是将晶片面积分割成多个cell之后串联而成。其特色在于，晶片能够依照不同输入之电压的需求而决定其cell数量与大小等，等同于做到客製化的服务。由于可以针对每颗cell加以优化，因此能够得到较佳的电流分布，进而提高发光效率。  

　　高压发光二极体和一般低压二极体在技术上最主要的差异有叁，第一为沟槽(Trench)。沟槽的目的在于将复数颗的晶胞独立开来，因此其沟槽下方需要达到绝缘的基板，其深度依不同的外延结构而异，一般约在4~8um，沟槽宽度方面则无一定的限制，但是沟槽太宽代表着有效发光区域的减少，将影响HV LED的发光效率表现，因此需要开发高深宽比的製程技术，缩小製程线宽以增加发光效率。 

　　第二为绝缘层(Isolation)，若绝缘层不具备良好的绝缘特性，将使整个设计失败，其困难点在于必须在高深宽比的沟槽上披覆包覆性良好、膜质紧密及绝缘性佳的膜层，这也是单晶AC LED製程上的关键。 

　　第三个是晶片间的互连导线(Interconnect)。一般而言，要做到良好的连结，导线在跨接时需要一个相对平坦的表面，一个深邃的阶梯状结构将使得导线结构薄弱，在高电压、高电流驱动下易产生毁损，造成晶片的失效，因此平坦化製程的开发就变得重要。理想的状态是在做绝缘层时，能一併将深邃的沟槽予以平坦化，使互连导线得以平顺连接。 

　　此外，高压发光二极体在应用上和一般低压二极体最主要的不同点为，它不仅仅能够应用于定直流(Constant DC)中，只要外接桥式整流器，它也能够应用于交流环境，非常具有弹性。在高压发光二极体中，外部整流器捨弃AC LED採用同质氮化镓的做法而改採用硅整流器，不仅使得耗能少，更可防止逆向偏压过大对晶片所造成的影响；最后，因为高压发光二极体较AC LED少了内部桥整的发光区，使发光效率相对较高，耐用度也较佳。 

　　作为大尺寸、高功率LED的解决方案 

　　高压发光二极体的效率优于一般传统低压发光二极体，主要可归因为小电流、多cell的设计能均匀地将电流扩散开来，进而提升光萃取效率。在一些应用当中，除了需要考虑晶片本身效率外，最终产品的售价也是一项重要指标；例如在当前照明领域中，LED灯源仍不被视为主流性产品，关键点在于其售价仍旧偏高。LED灯源价格高昂的塬因，除了晶片本身的价格之外，尚需要考虑整体的物料清单(Bill of material；BOM)，例如由于发光二极体本质上为一具有极性的元件，必须供给一顺向偏压才得以点亮，因此一般LED照明光源内都必须附加交流转直流(AC/DC)的电源转换系统，这是必须付出的成本。 

又因LED本身体积小，热源容易集中，而造成所谓热点(Hot spot)现象，使得发光元件本身寿命变短。为了解决热点的问题，LED灯源上的散热设计也不可缺少，目前散热设计方面以金属散热片最为常见，但金属散热片除了增加灯源的重量，也增加灯源的成本。由于高压发光二极体本身效率高，会减少废热及对散热的需求，进而削减成本；从电源转换的角度而言，高电压小瓦数的电源转换器如返驰拓僕式电路，除了体积小外，因为採用的元件少，成本也较低。因此，高压发光二极体的优点不仅在于晶片本身，它能直接或间接进一步提升整体模组的效率。

　　总括而言，在应用及设计上，单晶片的高压发光二极体有下列好处：  

　　1、节省变压器能量转换的损耗及降低成本。 

　　2、除了高电压直流的应用外，利用外部桥式整流电路也可设计于交流下操作。 

　　3、体积小不佔空间，对封装及光学设计都具有极佳的运用弹性。 

　　4、除了红色萤光粉外，也可以运用蓝、红HV LED搭配适当的黄、绿色萤光粉製成更高效率的高CRI暖白LED。 

　　目前在晶元光电中，会首先依据客户的各项参数需求，做设计準则的基本检查；进一步根据相关的光、电及热模型执行模拟，决定单位晶胞的大小、数目及最终产品呈现形式后，再加以实践验证；并根据实践所收集到的资料，验证塬始设计，或是加以修改达到优化的结果。目前晶元光电研发中心已经着手进行高压发光二极体相关模拟光、电及热模型的建立。