高壓LED結構與關鍵技術介紹

admin @ 2014-03-19 , reply:0

高壓LED結構與關鍵技術介紹

高壓發光二極體(HV LED)結構與關鍵技術介紹


    對於高功率LED的設計,目前各大廠多以大尺寸單顆低壓DC LED為主,做法有二,一為傳統水平結構,另一則為垂直導電結構。就第一種做法而言,其?程和一般小尺寸晶粒幾乎相同,換句話說,兩者的剖面結構是一樣的,但有別於小尺寸晶粒,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電極設計,都會導致嚴重的電流叢聚效應(Current crowding),其結果除了使得LED晶片達不到設計所需的亮度外,也會損害晶片的可靠度(Reliability)。



  當然,對上游晶片?造者/晶片廠而言,此作法?程相容性(Compatibility)高,無需再添購新式或特殊機台,另一方面,對於下游系統廠而言,?邊的搭配,如電源方面的設計等等,差異並不大。但如前所述,在大尺寸LED上要將電流均勻擴散並不是件容易的事,尺寸愈大愈困難;同時,由於幾何效應的關?S,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動方式的差異(點擊圖片放大)。



  第2種做法較第1種複雜許多,由於目前商品化的藍光LED幾乎都是成長於藍寶石基板之上,要改為垂直導電結構,必須先和導電性基板做接合之後,再將不導電的藍寶石基板予以移除,之後再完成後續?程;就電流分佈而言,由於在垂直結構中,較不需要考慮橫向傳導,因此電流均勻度較傳統水?式峁刮??除此之外,就基本的物理塬理而言,導電性良好的物質也具有高導熱的特質,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光效率。但此種做法最大的缺點在於,由於?程複雜度提高,導致良率較傳統水平結構低,?作成本高出不少。



  高壓發光二極體(HV LED)基本結構及關鍵技術



  晶元光電於全球率先提出了高壓發光二極體(HV LED)作為高功率LED的解決方案;其基本架構和AC LED相同,乃是將晶片面積分割成多個cell之後串聯而成。其特色在於,晶片能夠依照不同輸入之電壓的需求而決定其cell數量與大小等,等同於做到客?化的服務。由於可以針對每顆cell加以優化,因此能夠得到較佳的電流分佈,進而提高發光效率。



  高壓發光二極體和一般低壓二極體在技術上最主要的差異有叄,第一為溝槽(Trench)。溝槽的目的在於將複數顆的晶胞獨立開來,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構而異,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光區域的減少,將影響HV LED的發光效率表現,因此需要開發高深寬比的?程技術,縮小?程線寬以增加發光效率。



  第二為絕緣層(Isolation),若絕緣層不具備良好的絕緣特性,將使整個設計失敗,其困難點在於必須在高深寬比的溝槽上披覆包覆性良好、膜質緊密及絕緣性佳的膜層,這也是單晶AC LED?程上的關鍵。

 第三個是晶片間的互連導線(Interconnect)。一般而言,要做到良好的連結,導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構將使得導線結構薄弱,在高電壓、高電流驅動下易產生毀損,造成晶片的失效,因此平坦化?程的開發就變得重要。理想的狀態是在做絕緣層時,能一?憬?鑠淶墓擋塾枰雲教夠??夠チ?枷叩靡雲剿沉?印?br />


  此外,高壓發光二極體在應用上和一般低壓二極體最主要的不同點為,它不僅僅能夠應用於定直流(Constant DC)中,只要外接橋式整流器,它也能夠應用於交流環境,非常具有彈性。在高壓發光二極體中,外部整流器?紋?C LED?裼猛?實??氐淖齜ǘ??裼霉枵?髕鰨?喚鍪溝煤哪萇伲??煞樂鼓嫦蚱?構?蠖躍???斐傻撓跋?最後,因為高壓發光二極體較AC LED少了內部橋整的發光區,使發光效率相對較高,耐用度也較佳。



  作為大尺寸、高功率LED的解決方案



  高壓發光二極體的效率優於一般傳統低壓發光二極體,主要可歸因為小電流、多cell的設計能均勻地將電流擴散開來,進而提升光萃取效率。在一些應用當中,除了需要考慮晶片本身效率外,最終產品的售價也是一項重要指標;例如在當前照明領域中,LED燈源仍不被視為主流性產品,關鍵點在於其售價仍舊偏高。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),例如由於發光二極體本質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照明光源內都必須附加交流轉直流(AC/DC)的電源轉換系統,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)現象,使得發光元件本身壽命變短。為了解決熱點的問題,LED燈源上的散熱設計也不可缺少,目前散熱設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。由於高壓發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;從電源轉換的角度而言,高電壓小瓦數的電源轉換器如返馳拓?W式電路,除了體積小外,因為?裼玫腦??伲?殺疽步系汀R虼耍?哐狗⒐舛??宓撓諾悴喚鱸謨誥??舊恚??苤苯踴蚣浣詠?徊教嶸??迥W櫚男?省?br />


  總括而言,在應用及設計上,單晶片的高壓發光二極體有下列好處:



  1、節省變壓器能量轉換的損耗及降低成本。



  2、除了高電壓直流的應用外,利用外部橋式整流電路也可設計於交流下操作。



  3、體積小不?卓占洌?苑庾凹骯庋?杓貧季哂屑?訓腦擻玫?浴?br />


  4、除了紅色螢光粉外,也可以運用藍、紅HV LED搭配適當的黃、綠色螢光粉?成更高效率的高CRI暖白LED。



  目前在晶元光電中,會首先依據客戶的各項參數需求,做設計?試虻幕?炯觳?進一步根據相關的光、電及熱模型執行模擬,決定單位晶胞的大小、數目及最終產品呈現形式后,再加以實踐驗證;並根據實踐所收集到的資料,驗證塬始設計,或是加以修改達到優化的結果。目前晶元光電研發中心已經著手進行高壓發光二極體相關模擬光、電及熱模型的建立。





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