董志江；靳彩霞；杨新民；易贤；项艺；艾常涛；何建波
武汉迪源光电科技有限公司, 湖北省武汉市东湖新技术开发区光谷一路8号，430074
摘要：通过对蓝宝石衬底外延生长、芯片微晶粒分立阵列及微晶粒间电极桥接等多种技术手段的研究，制备正装高压发光二极管（HV LED ），其产业化光效已超过110lm/W ；10μA 下点亮整体没暗区，体现出良好的电流扩展性；与传统DC LED 相比，P-I-V （光输出功率-输入电流-正向压降）曲线趋势一致，输出光功率更集中且整体提高约5mW ，发光效率提高约10lm/W ，1000小时持续点亮光衰小于2%，正装HV LED 具有与传统功率DC LED 同样稳定可靠的光电性能，达到同类产品先进水平。 关键词：HV LED 芯片；LED 照明；微晶粒 前 言
由于石油能源危机的到来，发展更高效率更省电的照明系统越来越引起世界各国和地区的重视。在此趋势下具有省电、长寿命、环保（不含汞）等优点的发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）渐渐在新光源产业中崭露头角，应用遍及人们的日常生活，例如LED路灯、电视机背光、LED屏广告牌、仪表指示灯等。
从1998年起，世界各国和地区政府纷纷制订相关政策，支持和引导本国（或地区）半导体LED照明产业的发展，在政府支持和市场的推动下，目前国际上已初步形成一批以美国Cree、Lumileds、日本Nichia、Toyota Gosei、德国Osram等为代表的芯片研发和制造企业，并已经成为传统DC LED行
业技术的领导者[1~5]
。但是目前的DC LED产品在应用中存在一些弊端，如需要与变压器等元件一并使用（如图1所示），且寿命只有2万小时左右，而实际LED芯片的寿命却长达5-10万小时。与之相对，HV LED则无需额外的变压器，只需简短的驱动电路（如图2），不仅驱动电路成本降低，也避免了电路转换过程中能量的损失，因而成为当前具有市 场前景的LED产品。
图1 传统LED 驱动电路
图2 HV LED 驱动电路
由于HV LED是在原DC LED（功率型）尺寸大小的芯片上分立出若干微晶粒，然后将微晶粒通过电路串联来提高整颗芯片的工作电压而实现高压，其对外延生长一致性、芯片电路布局、芯片制备工艺较传统DC LED提出更多的要求。武汉迪源光电在HV LED芯片制备技术的研究及产业化上也取得了重大的突破，通过对蓝宝石衬底外延生长、芯片微晶粒分立阵列及微晶粒间电极桥接等多种技术手段的研究，正装HV LED 产业化光效已超过110lm/W，达到同类产品先进水平。
一、HV LED 制备
（一）基于蓝宝石衬底外延生长技术
基于蓝宝石衬底通过MOCVD技术进行外延生长。制备工艺如下：在1000℃左右H 2氛围下将衬底灼烧约10分钟后，分别在其表面上依次生长30nm GaN形核层、2.5μm非掺杂GaN层、2.5μm的Si 掺杂n -GaN 层、200nmInGaN/GaN 多量子阱（MQW）有源层以及250nm的Mg掺杂p-GaN层，MQW结构由6-10个周期逐层生长，每个周期由2nm的In 0.22Ga 0.78N与10nm厚的GaN层组成。生长的外延结构如图3所示。
图3 蓝宝石衬底上生长的外延结构示意图
（二）传统功率型DC LED 芯片制备工艺
采用电子束蒸镀300nm的ITO薄膜作为p型接触层，通过感应耦合等离子系统（ICP）刻蚀到n型GaN，然后蒸镀1um的Au电极，并采用等离子增强化学气相沉积法（PECVD）沉积SiO 2钝化层，最后在蓝宝石衬底的背面蒸镀反射膜。通过光刻、刻蚀、蒸镀、沉积、热处理、清洗、划片、磨片、测试、分选等多次工序后得到传统功率型DC LED芯片成 品。LED芯片结构如图4所示。
图4 功率型DC LED 芯片结构示意图
（三）HV LED 芯片设计及制备工艺
目前商用GaN基蓝光LED电压普遍在3.2V左右，而欧日等国家用电电压为AC110V，我国家用电是AC2
20V。为了LED灯具能在不同家用电电压下正常工作，同时避免应用中驱动变压器的使用，我们将45mil 芯片设计成单颗55V的HV LED，单颗芯片上需要形成17粒独立且串联在一起的微晶粒组，后续应用可采用2颗（或4颗）55V HV LED串联，并接入简单的驱动电路以实现HV LED 在AC110V（或AC220V）下正常工作，具体原理图及
HV LED结构图如图5和图6所示。
图5 HV LED 芯片原理图
（a ）HV LED 电路布局图
(b)微晶粒分立示意图
图6 正装HV LED 结构图
为了与传统DC LED进行发光光效的对比，将2’’外延片切割成4片1/4片，HV LED芯片和传统DC LED芯片各占一个1/4片，HV LED芯片制备工艺与传统功率型DC LED芯片制备工艺流程一致。
45mil DC LED芯片的驱动电流是350mA，工作电压为3.2V，对应的电功率消耗约为1.12W；HV LED的电流驱动设定为20mA，单颗HV LED的电功率消耗估算值约为1.1W，保证了45mil HV LED电功率消耗与传统45mil DC LED相当。
采用LED光电测试系统对HV LED芯片电压、波长、输出光功率（测试电流为20mA）进行了测试。采用东莞志基公司PL02支架和YS003透镜、英特美YAG-04荧光粉、DowCorning 6550荧光胶、欧特尔168填充胶等材料封装仿流明白光，并通过LED 光电测试系统检测封装品白光参数（测试电流20mA）；采用LED专用老化测试系统进行可靠性试验。
二、结果与讨论
图7 正装HV LED 微点亮图（I F =10μA ）
图7为正装HV LED芯片在10μA下点亮效果图，可以看出，点亮后芯片表面没有明显暗区，说明电流在每粒微晶粒上的分布是大致均匀的。
表1、图8和图9体现了已制备的1/4片HV LED 和1/4片传统功率型DC LED芯片主要光电参数的分布情况。HV LED波长分布较传统DC LED长了约1nm，这是因为测试电流小波长红移导致；输出光功率分布较传统DC LED高出约5mW，且更为集中，说明HV LED结构较传统功率型DC LED光萃取高。
表
led发光模块1 HV LED 和传统
DC LED 芯片主要参数统计表
V F （V）
λ（nm）
Φv（mW） 芯片结构
最小
最大
典型
最小
最大
典型
最小
最大
典型
HV LED @20mA
53 54 54 455 457 456 310 320 320
常规LED @350mA
3.1 3.2 3.2 454 456 455 300 315 315
图8 HV LED 主要参数mapping 图
图9 传统DC LED 主要参数mapping 图
同时，实验对传统功率型DC LED以及HV LED 的I-V曲线以及P-I曲线进行测试对比分析，如图10和图11 HV LED和传统功率型DC LED P-I-V曲线图所示，两种结构芯片的P-I-V曲线趋势相一致，说明HV LED具有与传统功率型DC LED芯片同样
稳定的光电特性。
(a) HV LED I-V曲线图
(b) 传统功率型DC LED I-V曲线图
图10两种不同结构的LED I-V曲线图
(a) HV LED P-I曲线图
(b) 传统功率型DC LED P-I曲线
图11 两种不同结构的LED P-I曲线图
为验证HV LED是否也同样遵循传统功率型DC LED蓝光毫瓦与白光流明的对应关系，研究人员采用相同封装工艺封装了若干HV LED和传统功率型DC LED，取平均值并获得了如表2所示的结果，说明HV LED与传统功率型DC LED在芯片光功率测试上具有相关性。
表2 HV LED和传统功率型DC LED封装白光参数
裸晶参数 白光参数
芯片结构
V F
（V）
λ
（nm）
Po
（mW）
V F
（V）
Φv
（lm）
CCT
（K）
η
（lm/W）
HV LED
@20mA
54.3 456.5 323 55.2 123 5576 111
传统LED
@350mA
3.23 456.5 316 3.32 119 5636 102
图12给出了正装HV LED与传统功率型DC
LED芯片的常温连续点亮光衰变化曲线，正装HV
LED与传统功率型DC LED芯片光衰未超过2%，表
明正装HV LED芯片同样具有良好的工作可靠性。
图13 HV LED&传统DC LED 光输出功率衰减趋势图
结 论
通过对普通蓝宝石衬底外延生长、芯片微晶粒分立阵列及微晶粒间电极桥接等多种技术手段的研究，制备出正装高压发光二极管（HV LED），其产业化光效已超过110lm/W；10μA下点亮没有暗区，体现出良好的电流扩展性；与传统DC LED 相比，P-I-V（光输出功率-输入电流-正向压降）曲线趋势一致，输出光功率更集中且整体提高约5mW，发光效率提高约10lm/W，1000小时持续点亮光输出功率衰减均小于2%，正装HV LED具有与传统功率DC LED同样稳定可靠的光电性能，达到同类产品先进水平。
此外，HV LED可以直接应用于直流高压驱动的照明市场，相对传统的DC LED，简化了驱动电路的设计，减少了元器件的使用，驱动电路功率损耗更低，器件可靠性更高，结构也将更加小型化，应用成本更是大幅度降低。因而，HV LED将成为未来LED照明发展的一个重要方向，具有广泛的应用前景。
参考文献
[1] Katona T M, Craven M D, Fini P T, et
a1． Observation of crystallographic wing tilt in cantilever epitaxy of GaN on silicon carbide and silicon(111)substrates[J]．Appl. Phys. Lett., 79(18), pp. 2907-2909 (2001)
[2] D. W. Kim, H. Y. Lee, M. C. Yoo, et al. Highly
efficient vertical laser-lift off GaN-based light-emitting diodes formed by optimization of the cathode structure. Appl. Phys. Lett. 86, pp. 052108-052110 (2005)
[3] Cao X A, Arthur S D. High-power and reliable
operation of vertical light-emitting diodes on bulk GaN. Appl. Phys. Lett., 85, pp. 3971-3973 (2004) [4] I. Schnitzer and E. Yablonovitch. 30% external
quantum efficiency from surface textured, thin-film light emitting diodes. Appl. Phys. Lett., 63(16), pp. 2174-2176 (1993)
[5] Y. J. Lee, J. M. Hwang, T. C. Hsu, et al.
Enhancing the output power of GaN-based LEDs grown on wet-etched patterned sapphire substrates. IEEE Photon. Technol. Lett., 18(10), pp. 1152–1154 (2006)
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