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大功率LED的结构与特性

大功率LED的结构特点和应用：

相对于传统的白纸灯泡，大功率LED因具备了更省电，使用寿命更长寿命更长及反应

时间更快等主要优点，因此很快抢占了LCD背光板，交通号志，汽车照明和广告照明等多

个市场。采用次黏着基台进阶封装方式，可有效提高LED的照明效果。大功率LED的主流

生产技术是ingan,但此技术仍有一些瓶颈需要克服，目前针对这些瓶颈（静电释放敏感性和

膨胀系数）提出新的解决方案。

由于大功率LED制造工艺，器件设计，组装技术三方面的进展，LED发光器的性能一

直在提高，其成本一直在降低。PN结设计，再辐射鳞片体和透镜结构都有助于提高效率，

因此也有助于提高可获得的光输出。

目前多数的封装方式已明显无法满足应用需求。对于大功率LED的封装厂商来说，一

个主要的调涨来自于热处理课题。这是因为在高热下，晶格会产生振动，进而造成结构上的

改变，会降低发光度，甚至令LED无法使用，也会对交错连接的封入聚合体造成影响。

LED的外量子效率取决于外延材料的内量子效率和芯片的取光效率。由于大功率LED

采用了MOCVD（金属有机化学气相沉系统）的外延生长技术和多量子阱结构，在精准控制

生长和掺杂以及减少缺陷等方面取得突破性进展，其外延片的内量子效果已有很大提高，

ALGAIND虽不及ALGAINP，但波长615nm的ALGAIND的内量子效率已接近极限100%，

由于半导体与封装的环氧树脂折射率相差较大，致使内部的全反射临界点很小，有源层产生

的只有小部分被取出，大部分在芯片内部经多次反射而被吸收，成为大功率LED芯片取光

效率很低的根本原因。提高取光效率主要有以下几种结构。

1.ALGALNN蓝宝石打工来了LED芯片倒装结构

为满足光源对高发光通量的需求，美国AXT公司将ALGALNN芯片面积0.325mm×

0.375mm增大至1.26mm×1.26mm，制成的P2系列大结面积正面出光的大功率LED芯片，能

够在大电流（350mA）下工作，不同波长450,505,525nm下的辐射光分别为35,30,27MW，流

明效率分别为6,12.5，17.5lm/W。尽管对芯片结构进行了优化设计，具有良好的电流扩展

和背反射层，但其取光效率仍然受到了很大的限制，其原因是ALGAINN一般是外延生长在绝

缘的蓝宝石衬底上，欧姆接触的P电极和N电极只能在外延表面的同一侧，正面射出的光将

被将被接触电极吸收和键合引线遮挡。造成光吸收的主要的因素是P型GAN层电导率较低，

为满足电流扩展的要求，覆盖于外延层表面大部分的半透明NiAu（镍金）欧姆接触层的厚

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度应大于500×10m，但是，要使光吸收最小，则NiAu欧姆接触层的厚度必须非常薄，这

样在透光率和扩展电阻率两者之间则要给以适当的折中，折中设计的结果必定使其功率转化

的提高受到限制。

美国lumileds公司于2001年研制出的ALGAINN大功率倒装芯片（FC）结构的LED，使

这一突出矛盾得到了解决。这种结构是通过透明的蓝宝石衬底取光，这样不仅能避免P型，

N型欧姆接触电极吸光和键和引线挡光的影响，而且不可必考虑NiAu欧姆接触层的透光性，

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将其厚度增至500×10m以上，从而改善了注入电流扩展的效果，降低了正向压降；同时

还起到了背反射作用，将有源层发出的光经过底部的NiAu层反射，从蓝宝石衬底取出，因

此ALGAINN倒装芯片结构使取光效率有了明显提高。其制造过程是：

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（1）在外延片顶部的P型GaN：Mg淀积厚度大于500×10m的NiAu层，用于欧

姆接触和背反射。

（2）采用掩模选择刻蚀掉P型层和多量子阱有源层，露出N型层。

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（3）淀积，刻蚀形成N型欧姆接触层，芯片尺寸为1×1mm