高压LED基本结构及关键技术介绍

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u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u造者／晶片厂而言，此作法u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，L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S，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u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式峁刮眩怀酥猓突镜奈锢碥矶裕嫉缧粤己玫奈镏室簿哂懈叩既鹊奶刂剩逵芍没换澹颐峭币哺纳屏松⑷龋档土私用嫖露龋绱艘焕幢慵浣犹岣吡朔⒐庑省５酥肿龇ㄗ畲蟮娜钡阍谟冢捎谘u程复杂度提高，导致良率较传统水平结构低，u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u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u程技术，缩小u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 LEDu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u程的开发就变得重要。理想的状态是在做绝缘层时，能一憬铄涞墓挡塾枰云教够够チ枷叩靡云剿沉印

　　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，外部整流器纹AC LED裼猛实氐淖龇ǘ裼霉枵髌鳎唤鍪沟煤哪苌伲煞乐鼓嫦蚱构蠖跃斐傻挠跋欤蛔詈螅蛭哐狗⒐舛褰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W式电路，除了体积小外，因为裼玫脑伲杀疽步系汀Ｒ虼耍哐狗⒐舛宓挠诺悴唤鲈谟诰旧恚苤苯踊蚣浣咏徊教嵘迥Ｗ榈男省

　  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、体积小不卓占洌苑庾凹肮庋杓贫季哂屑训脑擞玫浴

　　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u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，做设计试虻幕炯觳椋唤徊礁菹喙氐墓狻⒌缂叭饶Ｐ椭葱心Ｄ猓龆ǖノ痪О拇笮　⑹考白钪詹烦氏中问胶螅偌右允导橹ぃ徊⒏菔导占降淖柿希橹ぼ忌杓疲蚴羌右孕薷拇锏接呕慕峁Ｄ壳熬г獾缪蟹⒅行囊丫攀纸懈哐狗⒐舛逑喙啬Ｄ夤狻⒌缂叭饶Ｐ偷慕