GaN基交流高压大功率LED芯片及其灯具的研制

汪延明，何 鹏，苗振林，季 辉

(湘能华磊光电股份有限公司，湖南 郴州 423038)

GaN基交流高压大功率LED芯片及其灯具的研制

汪延明，何 鹏，苗振林，季 辉

(湘能华磊光电股份有限公司，湖南 郴州 423038)

设计并制备了110V GaN基交流高压LED芯片，阐述了其制作的关键工艺，并通过I-U-L曲线，近场光型等手段进行表征，该芯片具有良好的光电性能，通过两并两串方式封装在陶瓷支架并匹配相应的限流电阻组装成灯具，对比测试了灯具初态和稳态下的光电参数。

氮化镓；发光二极管；交流高压芯片；大功率

引言

发光二极管(LED)以其体积小、亮度高、寿命长、能耗低、光色可调、坚固耐用等诸多特点被广泛研究和应用于照明[1]、显示、背光、生物[2]、农业[3]等各个领域。LED封装技术经历着Lamp、SMD、COB、EMC等形式的不断优化，以满足各种需求，其散热技术不断进步，其可靠性不断提高，因此在应用端，LED封装后的体积往小型化发展，对芯片集成度的要求越来越高。

集成式大功率LED芯片是以串联或者并联的形式连接，形成小电流大电压的高压LED和小电压大电流的并联LED。高压LED一方面驱动电流小，更有利于缓解droop效应引起的效率下降[4-5]，另一方面可以减少AC/DC转换所造成的效率损失，而且大幅降低了对散热系统的设计要求。并联LED则能更好的克服大功率芯片电流扩展不佳的难题，同时将大功率芯片分成了若干小芯片，增加了总体的出光面积，有利于提高发光效率。

本文设计并研制了交流高压110V大功率LED芯片，阐述了其芯片制作的关键工艺，测试了其相关光电性能。

1 实验

本实验所用的外延片是在蓝宝石图形衬底(PSS)上用Veeco K465I生长的GaN基LED外延结构。首先在PSS上溅射一层25nm的氮化铝(AlN)然后再依次外延生长u-GaN、n-GaN、MQW、p-GaN等完整的GaN基LED结构。再在外延片的基础上进行交流高压芯片的设计与制作。

1.1 交流高压LED芯片设计

图1所示为本实验设计的交流高压LED的原理图。其中电极A与B是交流高压芯片焊盘，每颗交流高压LED芯片由8个单元串联而成，每个单元均包含7颗LED单胞，7颗单胞的连接方式如图1所示，在交流电源驱动下，不管电流从A流向B，还是从B流向A，每个单元均同时有5颗单胞发光，并且中间起“桥”作用的三颗芯片总是保持点亮状态。因此，为了尽可能提高发光光效，在设计时将中间“桥”三颗芯片面积设计得较大，四周四颗芯片面积较小。在此交流高压芯片正常工作时，四周四颗芯片中未点亮的两颗每一颗LED单胞两端均承受着4颗GaN基LED芯片串联的电压之和。按照测算，一般单颗GaN基LED蓝光芯片的电压在3～3.6V之间，四颗串联的电压在12～14.4V之间，本公司外延结构下的单颗芯片反压在50V@-10μA以上，承受能力远大于实际值。

图1 本实验设计的交流高压LED的原理图Fig.1 Schematics of the A C-H V LED Chip

1.2 交流高压LED芯片制作

图2是按照原理设计并制作的交流高压LED芯片的显微镜照片。整颗芯片的尺寸是900 μm×2 000 μm，焊盘的大小是90 μm×90 μm。先将外延片进行清洗，再用光刻和ICP刻蚀等方法做出台面(MESA)，去胶清洗后再用厚胶和ICP刻蚀做出隔离道(ISO)，隔离道中需要将外延层刻蚀干净至露出PSS，再用PECVD沉积SiO2作为电流阻挡层(CB)，经过正常的光刻、腐蚀、去胶等作出CB图形，清洗干净后进行ITO的沉积、光刻、腐蚀、去胶等完成ITO图形制作，再用负胶进行光刻、电极金属蒸镀、剥离去胶等步骤完成电极的制作，最后再用SiO2制作钝化层，再经过正常的研磨、抛光、背镀DBR、切割、裂片、点测、分选等步骤完成芯片制作。

图2 交流高压LED芯片实物显微镜照片Fig.2 Optical microscope photograph of the AC-HV LED chip

1.3 交流高压LED芯片制作的关键点

交流高压芯片和普通高压芯片一样，ISO沟道处的绝缘、桥接是关键工艺。如图3所示为交流高压芯片部分ISO的绝缘与桥接的俯视SEM图。ISO桥接处要求做到以下几点：

1)ISO沟道里面的GaN层要刻蚀干净,直到露出图形蓝宝石衬底；

2)绝缘隔离层的绝缘性、致密性要足够好，否则会出现漏电、单胞不亮、电极金属烧毁、各单胞之间亮度不均匀等异常；

3)ISO和MESA均是下底宽度窄，上底宽度宽，保证绝缘层和金属层“爬坡”顺畅，保证侧壁的绝缘层和金属层的厚度，如图4(a)所示，侧壁的绝缘层和金属层厚度要在表面上厚度的0.6倍以上才能顺利通过老化等可靠性测试(开发过程中反复验证的结果)；ISO和MESA的坡度(斜坡与水平面的角度)要在60度以下，否则可能出现斜坡上的绝缘层和金属层不够厚而影响电压、亮度、可靠性等性能，或者金属层在“爬坡”处出现断裂和裂缝,如图4(b)所示；

4)ISO和MESA边缘齐整、平滑，不能出现类似图4(c)所示的沟壑形貌；

5)桥接金属层要足够宽和足够厚。因为在工作时，桥接金属起导线的作用，其串联电阻要足够小才能保证其可靠性和稳定性，注意桥接金属做得太宽会影响亮度，因此需要在亮度和可靠性之间做出权衡。

图3 交流高压LED芯片ISO沟道处桥接SEM图Fig.3 SEM image of ISO roads bridges of AC-HV LED chip

图4 (a)MESA、ISO斜坡及表面和侧壁金属厚度SEM图；(b)金属层在“爬坡”处出现断裂和裂缝；(c)ISO侧壁沟壑形貌Fig.4 (a)SEM picture of thickness of metal on MESA and ISO position,(b)metal layer crack on ISO slope,(c)gully morphology of ISO side wall

2 结果及分析

2.1I-U-L曲线

实验准备了2.2 μm和3.2 μm两种电极厚度的样品，进行了I-U-L曲线测试，如图5所示，测试机台是惠特LPT6000型点测机，所用电源为keithley2400。根据此芯片的设计，不管电流方向如何，总是有40颗单胞同时被点亮。在图5中虚线的两侧代表的是同一个芯片固定电流方向后正向和反向的I-U-L曲线，两侧曲线接近对称，说明该交流高压芯片样品性能良好。从图5中可以看出，不管电极厚度是2.2 μm还是3.2 μm，随着电流从2 mA增加到18 mA，其亮度和电压呈线性增加，这是40颗单胞串联后总亮度和电压随电流变化的结果。3.2 μm电极厚度比2.2 μm电极厚度在相同电流下，电压更低，亮度更高。这是因为电极厚度越厚，降低了电流扩展过程中的电阻，电流扩展能力增强，因此电压更低[6]。同时因为电流扩展更好，发光更均匀，在相对电流密度集中的区域的电流密度更小[7-8]，发光效率更高，因此亮度相对更高。

图5 2.2 μm和3.2 μm电极交流高压LED芯片的I-U-L曲线Fig.5 I-U-L LED curve of AC-HV chip with electrode thickness 2.2 μm and 3.2 μm

2.2 光型分析

如图6(a-b)所示是本实验的交流高压芯片正向和反向7 mA点亮时的近场光型图，从图中可以看出不管是正向还是反向，芯片按照设计的方式被点亮，没有出现局部暗亮或者某些单胞不亮的现象，并且其光型较为均匀。图6(c-d)是普通正装400 μm×825 μm芯片分别在20 mA和150 mA下测试的近场光型图，图6(c-d)中可以明显看出，同一颗芯片，20 mA下比150 mA下光型要均匀很多，此现象验证了随着电流密度的增加，电流拥挤效应[9]更为明显的结论。因为高压集成芯片驱动电流较小，一方面电流拥挤效应较小，另一方面缓解了droop效应引起的效率下降，因此高压集成芯片正常工作时能获得更高的光效。

图6 (a～b)分别是交流高压芯片正向和反向7 mA下的近场光型图，(c～d)分别是正装400 μm×825 μm芯片在20 mA和150 mA下的近场光型图Fig.6 (a～b)image of near-field emission intenaity distribution of positire and negatire AC-HV chip at 7 mA,(c-d)image of near field emission intensity distribution of normal 400μm×825μm chip at 20 mA and 150 mA

2.3 应用

将四颗所获得的交流高压LED芯片按照两并两串的方式，用银浆固定在陶瓷基板支架上，如图7(a)固晶示意图所示。通过焊线将四颗芯片实现电性连接，再用荧光粉、硅胶等将芯片封装成目标色温3 000 K的灯珠，如图7(b)所示。再组装成如图7(c)的灯具。此灯具的底座中含有匹配的限流电阻，没有变压器等电源器件，也没有整流设施。

图7 (a)固晶示意图；(b)封装后灯珠；(c)灯具(未盖灯罩)Fig.7 (a)diagrammatic sketch of chips arrangement;(b)Lamp after package;(c)Lamps and lanterns (without lamp shade)

将此灯接普通民用市电(220V交流电)，用积分球测试灯具的各项光电参数，串接万用表，测试到正常点亮时通过单颗芯片的电流有效值为7 mA。在灯具常温下进行初态测试，测试数据如表1所示，将灯具持续点亮30分钟后进行稳态测试，测试数据如表2所示。对比表1和表2的数据，从初态到稳态，6颗成品灯的色坐标变化很小，光通量平均值从210.6lm下降到206.18lm，下降2.1%，同时整灯所消耗电功率平均值从3.276W上升到3.542W，上升8.1%。这有几个方面的原因，一是初态下温度较低，芯片的发光效率较高，而稳态时整灯的温度较高(用红外热像仪测试灯珠表面约75℃)，发光效率较低[10-11]；二是该灯具是在普通市电下工作的，因此通过芯片和限流电阻的电流和其两端的电压是随时间呈正弦函数变化的，每个单元四周的四颗芯片相当于在进行周期性的点亮与熄灭，中间三颗芯片相当于在进行变化电流和电压驱动方式下的老化，在稳态下，其限流电阻与灯珠的匹配性变差，使得消耗的电功率增大。

表1 交流高压LED灯具初态测试值Table 1 Test resuvt of the AC-HV LED Lamps in intial-state

表2 交流高压LED灯具稳态测试值Table 2 Test resuvt of the AC-HV LED lamps in steady-state

3 结论

本文设计并制备了可直接用普通市电驱动的110V交流高压LED芯片，并通过I-U-L曲线，近场光型，封装整灯初态和稳态测试等方式进行表征，该芯片具有良好的光电性能，通过两并两串封装在陶瓷支架并匹配相应的匹配电阻组装成灯具。此灯具经过老化加大电流(通过调整限流电阻来改变电流有效值到10 mA)老化测试，应用到照明领域，因为焊线次数少，芯片高度集成，无驱动电源，具有结构简单，组装快捷，成本低廉，体积较小，使用方便等优势，被终端用户应用到车内、冰箱内等多种照明场合。

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Development of Alternating-Current-Driven GaN-Based High-Voltage High-Power LED Chips and Its Lamp

WANG Yanming, HE Peng, MIAO Zhenlin, JI Hui

(XiangNengHuaLeiOptoelectronicCorporation,ChenZhou423038,China)

This paper presents the design and preparation of the alternating current high voltage chip (AC-HV chip) based GaN, and elaborates the critical process of its preparation, and its characterization of the performance with I-U-L curve and near-field patterns distribution. The result indicated that the AC-HV chips had good performance. After assembled as lamps with current limit resistor and packaged on frame based ceramic with two parallel and two series connection model, the performance of the lamps on the initial-state were compared with the steady-state.

GaN; LED; AC-HV chips; power chip

湖南省科技计划项目，项目编号2016WK2063；湖南省专利技术产业化促进项目。

汪延明，E-mail:wym8105@163.com

TN312+8

B

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.006