高压发光二极管HV LED芯片开发及产业化.docx
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高压发光二极管HVLED芯片开发及产业化
高压发光二极管(HVLED芯片开发及产业化
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(HVLED
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DCLED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HVLED具有与传统功率DCLED同样稳定可靠的光电性能,达到同类产品先进水平。
关键词:
HVLED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-EmittingDiode,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、ToyotaGosei、德国Osram等为代表的芯片研发和制造企业,并已经成为传统DCLED行
业技术的领导者[1~5]
。
但是目前的DCLED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,HVLED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2HVLED驱动电路
由于HVLED是在原DCLED(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DCLED提出更多的要求。
武汉迪源光电在HVLED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HVLED产业化光效已超过110lm/W,达到同类产品先进水平。
一、HVLED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H2氛围下将衬底灼烧约10分钟后,分别在其表面上依次生长30nmGaN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In0.22Ga0.78N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DCLED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SiO2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DCLED芯片成
品。
LED芯片结构如图4所示。
图4功率型DCLED芯片结构示意图
(三HVLED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AC220V。
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HVLED,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55VHVLED串联,并接入简单的驱动电路以实现HVLED在AC110V(或AC220V下正常工作,具体原理图及
HVLED结构图如图5和图6所示。
图5HVLED芯片原理图
(aHVLED电路布局图
(b微晶粒分立示意图
图6正装HVLED结构图
为了与传统DCLED进行发光光效的对比,将2’’外延片切割成4片1/4片,HVLED芯片和传统DCLED芯片各占一个1/4片,HVLED芯片制备工艺与传统功率型DCLED芯片制备工艺流程一致。
45milDCLED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;HVLED的电流驱动设定为20mA,单颗HVLED的电功率消耗估算值约为1.1W,保证了45milHVLED电功率消耗与传统45milDCLED相当。
采用LED光电测试系统对HVLED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、DowCorning6550荧光胶、欧特尔168填充胶等材料封装仿流明白光,并通过LED光色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HVLED微点亮图(IF=10μA
图7为正装HVLED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HVLED和1/4片传统功率型DCLED芯片主要光电参数的分布情况。
HVLED波长分布较传统DCLED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DCLED高出约5mW,且更为集中,说明HVLED结构较传统功率型DCLED光萃取高。
表
1HVLED
和传统DCLED芯片主要参数统计表
VF(Vλ(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
HVLED
@20mA
535454455457456310320320
常规LED
@350mA
3.13.23.2454456455300315315
图8HVLED主要参数mapping图
图9传统DCLED主要参数mapping图
同时,实验对传统功率型DCLED以及HVLED的I-V曲线以及P-I曲线进行测试对比分析,如图10和图11HVLED和传统功率型DCLEDP-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HVLED具有与传统功率型DCLED芯片同样
稳定的光电特性。
(aHVLEDI-V曲线图
(b传统功率型DCLEDI-V曲线图
图10两种不同结构的LEDI-V曲线图
(aHVLEDP-I曲线图
(b传统功率型DCLEDP-I曲线
图11两种不同结构的LEDP-I曲线图
为验证HVLED是否也同样遵循传统功率型DCLED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HVLED和传统功率型DCLED,取平均值并获得了如表2所示的结果,说明HVLED与传统功率型DCLED在芯片光功率测试上具有相关性。
表2HVLED和传统功率型DCLED封装白光参数
裸晶参数白光参数
芯片结构
VF
(V
λ
(nm
Po
(mW
VF
(V
Φv
(lm
CCT
(K
η
(lm/W
HVLED
@20mA
54.3456.532355.21235576111
传统LED
@350mA
3.23456.53163.321195636102
图12给出了正装HVLED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DCLED芯片光衰未超过2%,表
明正装HVLED芯片同样具有良好的工作可靠性。
图13HVLED&传统DCLED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(HVLED,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DCLED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HVLED具有与传统功率DCLED同样稳定可靠的光电性能,达到同类产品先进水平。
此外,HVLED可以直接应用于直流高压驱动的照明市场,相对传统的DCLED,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,HVLED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
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