LED芯片结构的发展过程

1、LED芯片结构的最近研究进展应用物理131801任佳伟1)LED芯片分类LED芯片结构主要有三种流派，最常见的是正装结构，还有垂直结构和倒装结构。n-GqNn-GoN卜电咬3lEflLEE1n龟fi删gn电少&IK倒袅LEDLED正装芯片是最早出现的芯片结构，也是小功率芯片中普遍使用的芯片结构。该结构，电极在上方，从上至下材料为：P-GaN,发光层，N-GaN，衬底。所以，相对倒装来说就是正装。正装结构由于p，n电极在LED同一侧，容易出现电流拥挤现象，而且热阻较高，限制了驱动电流。正装技术一般应用于中小功率LED。而垂直结构则可以很好的解决这两个问题，可以达到很高的电流密度和均匀度。这也导致

2、垂直结构通常用于大功率LED应用领域，倒装技术也可以细分为两类，一类是在蓝宝石芯片基础上倒装，蓝宝石衬底保留，利于散热，但是电流密度提升并不明显;另一类是倒装结构并剥离了衬底材料，可以大幅度提升电流密度。为了避免正装芯片中因电极挤占发光面积从而影响发光效率，芯片研发人员设计了倒装结构，即把正装芯片倒置，使发光层激发出的光直接从电极的另一面发出（衬底最终被剥去，芯片材料是透明的），同时，针对倒装设计出方便LED封装厂焊线的结构，从而，整个芯片称为倒装芯片（FlipChip）。垂直结构LED是一种基于电流在p型外延层中流动的方向的结构。LED芯片带有较高电阻的外延层（p型）的大部分被一导电层覆盖。

3、导电层上的每一点均为等电位，导电层与电级相连，电流基本上垂直流过带有高电阻的外延层。垂直结构的LED芯片是在正装的基础上产生的，这种芯片是将传统蓝宝石衬底的芯片倒过来键合在导热能力较好的硅衬底或金属等衬底上，再将蓝宝石衬底激光剥离。这种结构的芯片解决了散热瓶颈问题，但工艺复杂，特别是衬底转换这个过程实现难度大，生产合格率也较低。（2）三维垂直结构1）蓝光LED芯片产品Lumileds推出薄膜倒装芯片改进了luxeronK2,使其热阻从9C/W降低至5.5C/k。它的p型外延层大部分已支持衬底上的p电级相接触，n型外延层通过16个金属塞得支持衬底上的N电级相连接。构成无需打金线的垂直三维芯片结构

4、。2）红光/蓝光芯片样品无需金线键合的三维垂直结构的红光芯片和蓝光芯片有相同结构。三维垂直结构LED芯片/SMD的p型外延层完全以支持衬底的p电级相接触。形成在n型外延层上的图形化N电极延伸到支持衬底上的N电极，因此电流分布均匀，没有电流拥堵现象。3）无需金线键合的三维垂直结构LED芯片n型外延层上的图形化N电极通过金属填充塞形支持衬底上的N电极相连，p型外延层以完全支持衬底的p电极相接触，形成电流通路。（3）三维垂直结构LED芯片1）三维垂直结构的优点成本低；良品率高（预计高于65）；没有电流拥堵现象；更高的电流密度；更小的分装尺寸；热阻低；芯片工艺和分装步骤结合在一起。2）具体结构外部电源

5、的正极通过p电极，p金属填充层，p金属层，p型外延层，发光层，n型外延层，电极，电极延伸部分，n金属层，n金属填充层，n电极与外部电源的负极相连，形成电流回路，因此不用金线键合。其中，钝化层起到保护芯片的作用；选择金属填充塞得数量和尺寸，以便有效散热。夹在led外延膜和p金属层之间的反射/欧姆电极/键合层，可提高光取出效率，形成欧姆接触，降低正向压降；表面粗化；可提高光取出效率。3）制造三维垂直结构LED芯片的工艺流程。1、共晶焊LED芯片的p型外延层到支持衬底的p金属膜上2、剥离LED芯片生长衬底3、沉积钝化层，保护芯片4、在LED薄膜和N金属膜上方保护层的预定位置，通过刻蚀，形成窗口。在窗

6、口中的N型外延层上形成优化电极图形，该电极延伸到N金属膜上并与之形成电连接。P和n金属膜分别与支持衬底的p和n电极电连接。4）最新进展新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第一电极和第二电极分别层叠在氮化镓基外延层的两侧，因此具有传统的垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的优点。新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的第一电极和第二电极层叠在生长衬底的同一侧，因此，不需要剥离生长衬底。新型垂直结构的氮化镓基半导体发光二极管的低成本的批量生产的主要工艺步骤如下：在生长衬底上，层叠中间媒介层，生长氮化镓基外延层，在氮化镓基外延层上层叠具有优化图形的第二电极，在预定区域蚀刻氮化镓基外延层知道中间媒介

7、层中的金属层暴露，在暴露的金属层上层叠第一电极。所述的工艺方法既不需要键合支持衬底到氮化镓基外延层，也不需要剥离生长衬底等工艺过程。生长新型垂直结构的大功率氮化镓基半导体发光二极管的技术和生产方法可以应用于生长其他半导体发光二极管。（5）最新产品美国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。006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231lm/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LuxeonK2是专门为在1000mA电流下工作而进