用于通用照明的大电流密度的高电压交/直流LED芯片

目录

一、背景   
二、直流LED芯片
（一）大电流密度的直流LED芯片

1、正装结构的大电流密度LED芯片 
2、垂直结构的大电流密度LED芯片 
3、3维垂直结构的大电流密度LED器件 
（二）高电压的直流LED芯片                                        
1、正装结构的高电压的LED芯片 
2、倒装结构的高电压的LED芯片 
（三）高电压和大电流密度的直流LED芯片 
1、垂直结构的高电压的大电流密度LED芯片  
2、3维垂直结构的高电压的大电流密度LED芯片
三、交流LED芯片
（一）正装结构的交流LED芯片 
1、正负反向连接的正装结构的交流LED芯片
2、桥式回路连接的正装结构的交流LED芯片
（二）垂直结构的交流LED芯片：1827
1、正负反向连接的垂直结构的交流LED芯片 
2、桥式回路连接的垂直结构的交流LED芯片
（三）3维垂直结构的交流的大电流密度LED芯片 
1、正负反向连接的3维垂直结构的交流的大电流密度LED芯片 
2、桥式回路连接的3维垂直结构的交流的大电流密度LED芯片
四、交流LED电路 
（一）正负反向连接的交流LED电路 
（二）桥式回路连接的交流LED电路

一、背景

　　按照业界比较乐观的估计，在未来3至5年内，LED将大举进入通用照明。一方面，各个LED芯片公司都在扩产，另一方面，其他资金也大量进入LED芯片产业，因此，使得设备交货周期加长，原材料（包括蓝宝石）供应短缺。为了解决蓝宝石衬底的供应问题，除了蓝宝石厂本身扩产外，2010年7月，晶电投资蓝宝石生产厂家兆远和兆晶；2010年9月，协鑫集团与阜宁县共同投资30亿元兴建蓝宝石生产公司。2010年10月，长春利泰投资公司拟出资13.5亿元，在金州新区投资LED蓝宝石项目。

　　LED进入通用照明的主要瓶颈之一在于，LED芯片的价格成本太高。

　　为了降低LED芯片的价格，除了降低LED芯片的生产成本之外（包括蓝宝石衬底的价格），最快、最有效的方法是采用大电流密度驱动LED芯片，使得一个芯片发出的光相当于几个传统的LED芯片发出的光。为了更直观的理解这一方法，引入两种芯片产能的定义：

　　（A）“芯片产能”；

　　（B）“lm产能”，即，采用lm数量来计算芯片厂的产能，因为照明灯具的要求是采用lm（或lux）数来计算，而不是灯具所使用的芯片的数量来计算，这有些像发电厂的产能是按发电量计算的一样。

　　例如，一个芯片厂的“芯片产能”是：月产100 kk的45mil芯片。

　　如果每个芯片封装后在350mA驱动下发出100 lm的光，可以说该厂的“lm产能”是10 kkk lm。但是，如果每个芯片封装后在1A电流驱动下发出300 lm的光，可以说该厂的“lm产能”是30 kkk lm。然而，按照350mA驱动的100 lm的LED芯片，为了达到30 kkk lm的“lm产能”，则需要的“芯片产能”是月产300 kk的350mA驱动的45mil芯片。

　　对于上面的例子，这相当于：

　　（A）大电流驱动的芯片的每lm光通量的芯片生产成本减低到原来的1/3；

　　（B）芯片厂家的“lm产能”提高了3倍，但是，芯片厂家的“芯片产能”没有增加，因而，没有增加数额巨大的设备投资，节省了扩产月产200 kk 的“芯片产能”的巨额投资；

　　（C）也节省了月产200 kk的350mA驱动的芯片的外延生长和芯片工艺的原材料费用。

　　如果能采用更大的电流（例如，数安培的电流）驱动，则优势更大。

　　虽然至今已有多家芯片公司推出大电流密度驱动的LED芯片，但是，目前大电流驱动芯片并没有被广泛采用。在灯具中采用大电流驱动芯片的主要瓶颈之一在于，下游厂家的封装和灯具的散热性能达不到要求，造成结温太高，寿命减小，芯片极易烧坏。然而，随着封装和灯具的散热效率的提高，大电流密度驱动将成为照明市场的主力。

　　LED进入通用照明的其他瓶颈在于，由于传统的LED芯片采用低电压直流电驱动，LED灯具的驱动器的价格进一步推高LED灯具的价格。降低LED灯具的价格，也包括降低LED灯具的电源的整流部分和变压部分的成本。

　　目前，降低LED芯片和灯具的价格的产品和技术方案包括：

（1）大电流密度驱动的直流LED芯片，其优势是，极大的降低LED灯具的芯片成本；
（2）交流高电压LED芯片，其优势是，降低LED灯具的整流和变压功能的成本；
（3）直流高电压LED芯片，其优势是，降低LED灯具的变压功能的成本。
（4）大电流密度驱动的直流高电压LED芯片，其优势是，降低LED芯片的成本，降低LED灯具的变压功能的成本。
（5）大电流密度驱动的交流高电压LED芯片：其优势是：降低LED芯片的成本，降低LED灯具的整流和变压功能的成本。

　　同时，LED芯片的结构在不断地改进，目标是进一步降低LED芯片和灯具的价格，使得LED更快的进入通用照明。

二、直流LED芯片

　　（一）大电流密度的直流LED芯片

　　传统的LED芯片采用低电压的直流驱动，LED芯片的结构包括正装结构芯片、倒装结构芯片、垂直结构芯片、无需打金线的垂直结构芯片（或称为“3维垂直结构芯片”）。

　　大电流密度驱动的LED芯片是驱动电流密度大于传统的驱动电流密度（35A/cm2）。

　　大电流密度驱动的LED芯片的几个例子如下：

　　例1：一个1x1 mm2的1W大功率LED芯片的传统的驱动电流密度约为35A/cm2；大电流密度的LED芯片是：驱动电流密度大于35A/cm2。例如，采用电流密度为100A/cm2的电流驱动，即，采用1A电流驱动1x1 mm2的LED芯片。

　　例2：一个45 x 45 mil2的高电压芯片，采用30mA@220V驱动。为了能够承受220V的高电压，该芯片至少包括串联的70个芯片单元，每个芯片单元的面积最大为0.01866mm2（= 45x45mil2/70），在30mA电流下，即30mA电流通过每个芯片单元，即，每个芯片单元的电流密度至少高达160A/cm2（= 30mA/0.01866mm2）,这一电流密度相当于采用2A驱动一个3.3V的45 x 45 mil2的传统芯片的电流密度，或1.6A电流驱动3.3V的1x1 mm2的传统LED芯片的电流密度。所以，30mA@220V驱动的45 x 45 mil2芯片也属于大电流密度芯片。由于散热问题，正装结构芯片较难制成这种大电流密度的规格。

　　例3：一个采用20mA电流驱动的0.33x0.33mm2的LED小芯片，其驱动电流密度约为20A/cm2；大电流密度的LED小芯片指的是：驱动电流密度大于20A/cm2， 例如，采用60mA的电流驱动，即，其电流密度达到60A/cm2。

　　设计和制造大电流驱动的直流LED芯片要从3个层面考虑，缺一不可（详见：“中国半导体照明产业发展年鉴（2008-2009）”，p116）：

* 外延层面：外延层的结构和成分的设计使得在大电流密度（例如，大于35A/cm2）驱动时，芯片的发光效率相对于小电流密度时，下降量小。
* 芯片层面：芯片的结构的设计使得在大电流密度驱动时，可以有效的把电流引入芯片、没有电流拥塞、优良的散热。芯片的结构影响发光效率（droop），例如，在相同的外延层下，垂直结构的芯片的效率下降（droop）比正装结构的芯片的效率下降（droop）要慢，原因之一是由于，垂直结构的芯片的电流拥塞的情况较好。
* 封装/灯具层面：封装/灯具结构的设计使得在大电流密度驱动芯片时，有优良的散热。否则，芯片的寿命将大大下降。

　　虽然至今已有多家芯片公司推出大电流密度驱动的LED芯片，由于下游厂家的封装和灯具的散热性能不能满足需要，因此，大电流密度的LED芯片尚未广泛应用。

　　随着新的散热技术不断的开发，使得在灯具中采用大电流密度芯片成为可能，可以极大的推动LED快速进入通用照明，新的散热技术包括（摘自“中国半导体照明网”）：

（1）2010年7月，Sunon展出毫米风扇与鼓风扇、以及采用强制散热的LED灯具散热模块；
（2）2010年8月，美国Eternaleds上市水冷式LED灯泡“Eternaleds HydraLux-4”，省去了用于冷却灯泡内部的散热管(Heat Pipe)、散热片(Heat Sink)及风扇等；
（3）2010年9月，美国橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员已经成功利用一种石墨泡沫材料，用于解决高亮度LED因运作高温环境而寿命减短的问题，并将该石墨泡沫技术独家授权给LED North America公司。
（4）2010年11月，美国GE公司开发出采用喷射技术的冷却方法，特别适用于大功率灯具。

　　1、正装结构的大电流密度的LED芯片

图1：Nichia的正大电流密度芯片的截面图

　　2010年9月，一直以开发和生产小芯片著称的日亚（Nichia）公司宣布：在实验室中，1 x 1 mm2正装结构的大电流密度LED芯片，在1000mA电流驱动时，效率达到135 lm/W（4700k）。（摘自“中国半导体照明网”）

　　Nichia的正装结构的大电流LED芯片的主要的特征是：优化外延层设计、改进电学设计去降低电压、采用图形蓝宝石生长衬底、采用低电阻和高透光率的ITO（电阻是7欧姆，透光率大于90%），见图1。

　　对于以蓝宝石为衬底的正装大电流密度LED芯片，对于封装的散热性能要求更高。

　　另外，在向芯片输入大电流时，需要防止电流从打线焊盘直接向下经过ITO层流向发光层 。

　　2、垂直结构的大电流密度的LED芯片

　　2010年3月，科锐（Cree）推出大电流密度的直流LED芯片产品：XLamp-XP-G，在1500mA电流驱动下，得到460 lm的光通量，相当于4个Cree的XLamp XR-E（摘自“中国半导体照明网”）。

　　在向芯片输入大电流时，需要防止电流从打线焊盘直接流向N-GaN外延层，造成局部电流拥塞。解决方法的专利技术之一是，打线焊盘形成在绝缘层上，见图2。

　　2010年4月，Osram推出大电流密度的直流LED芯片产品：UX-3，在3000mA电流驱动时得到830 lm，见图3（摘自“中国半导体照明网”）。

　　Osram按照在大电流密度时效率下降的俄歇复合的理论设计外延层结构，由于俄歇复合的发生概率与载流子密度的3次方成比例，因此，降低载流子密度的话，便可减少俄歇复合的发生，通过加厚活性层，降低了载流子密度。活性层并非简单加厚，而是对掺杂量等进行了优化。另外，其芯片结构的设计与Lumileds的芯片基本相同：多个通孔中的导电栓把n型限制层与导电支持衬底电连接；这种结构使得电压均匀加到p型限制层，消除了电流密度局部较高的部分。不同之处在于，其p型限制层通过金线与外界电源电连接。

　　2010年11月，Cree推出型号为XLamp-XM-L的2x2mm2芯片，在3A电流驱动下，亮度达到1000lm。

　　3、3维垂直结构的直流LED器件

　　2010年7月，Lumileds推出大电流密度的直流LED器件LUXEON Rebel ES，在1000mA电流下，可提供300流明以上的光通输出，而光效可达100 流明/瓦，见图4（摘自“中国半导体照明网”）。Lumileds按照制造工艺（倒装）和物理外形（薄膜），将其称为倒装薄膜。如果按照电流是否垂直（或接近垂直）流过p-GaN来定义，可称其为垂直结构，由于无需打金线，称其为3维垂直结构器件。

　　其他的3维垂直结构芯片和器件的结构包括：

　　（a）QFN类型的3维垂直结构器件（图5）

图5：QFN类型的3维垂直结构器件

　　剥离了生长衬底的LED薄膜的p型限制层键合在金属上（称为p金属），n型限制层通过电极与另一金属（称为n金属）电连接，p金属和n金属的另一面分别与外界电源相连接，成为SMD器件。其优势之一是小于1℃/W的热阻。因此特别适用于大电流密度驱动，解决了芯片和封装的散热。

　　（b）通孔支持衬底类型的3维垂直结构器件（图6）

图6：通孔支持衬底类型的3维垂直结构器件

　　剥离了生长衬底的LED薄膜的p型限制层键合在金属层上（称为p金属层），n型限制层通过电极与另一金属层（称为n金属层）电连接，p金属层和n金属层通过支持衬底中的通孔与支持衬底的另一面上的金属层（分别称为p电极和n电极）形成电连接，成为SMD器件。当采用散热较好的支持衬底时，解决了芯片和封装的散热。

　　（c）通孔3维垂直结构LED芯片

图7：通孔3维垂直结构LED芯片

　　其结构如图7所示，半导体外延层的第一类型限制层上的图形化电极通过外延层中的通孔与第一电极形成电连接，半导体外延层的第二类型限制层键合在第二导电支持衬底（例如铜合金）上，从而与第二电极形成电连接，形成无需打金线的SMD型式的垂直结构芯片。当采用散热较好的导电支持衬底时，解决了芯片的散热。

　　（二）高电压的直流LED芯片  

　　1、正装结构的高电压LED芯片

　　把一个芯片的外延层分割成数个芯片单元，并把它们串联起来，则构成高电压芯片。

　　2008年， 晶元提出制造高电压直流芯片的方法（图8），2010年6月，晶元推出正装结构的高电压直流芯片，其中红光芯片HF27A的电压为34伏，效率达到128 lm/W。白光达到135 lm/W（5000k）。

图8： 高电压芯片的串联的多个正装结构芯片单元

　　高电压直流芯片的结构如下：一个芯片包括多个正装结构的芯片单元，芯片单元之间通过电极形成串联形式的电连接。如图8所示，一个芯片单元的N电极与相邻的芯片单元的P电极形成串联。一个芯片上的所有芯片单元形成串联的电连接，则构成一个正装结构的高电压直流LED芯片。一个芯片上的芯片单元形成数个串联的电连接，再形成整流桥式电连接，则构成一个正装结构的高电压交流LED芯片。

图9：高电压芯片的串联的多个正装结构芯片单元

　　2008年，Lumileds提出的高电压直流芯片的结构，如图9所示。一个芯片上的所有芯片单元形成串联的电连接，则构成一个正装结构的高电压直流LED芯片。一个芯片上的芯片单元形成数个串联的电连接，再形成整流桥式电连接，则构成一个正装结构的高电压交流LED芯片。据报道，Lumileds的高电压直流LED芯片的效率超过100lm/W。

　　对于蓝宝石衬底的GaN基芯片，由于蓝宝石散热较差，限制了驱动电流密度。

　　2010年11月，亚威朗光电（中国）提出45V高电压正装结构LED芯片样品（见图10）。

　　2、倒装结构的高电压LED芯片

　　2010年10月，晶科提出倒装结构的高电压LED芯片样品（见图11），其优势是散热较好。

　　（三）高电压和大电流密度的直流LED芯片

　　垂直结构LED芯片采用了散热较好的支持衬底，散热优良，适于采用大电流密度驱动。据此，垂直结构和三维垂直结构的高电压芯片被提出。

　　1、垂直结构的高电压大电流密度LED芯片

　　2009年Cree提出垂直结构的高压LED芯片。2010年10月，Cree推出2款高电压芯片（1）XLamp MX-6S ：电压20V，在60mA驱动时，得到139lm，其驱动电流密度相当于35A/cm2；（2）XLamp MX-3S ：电压11V，在115mA驱动时，得到122lm。

图12：大电流密度的垂直结构高电压芯片

　　一款适用于大电流密度的垂直结构的高电压芯片的结构如图12所示，数个LED外延层薄膜110a和110b分别键合在互相绝缘的金属膜102b和102c上，电极107b把外延层110a和110b串联，形成高电压芯片。采用导热优良的支持衬底101a。与Cree的芯片的区别在于，打线焊盘不在芯片单元上，因此，可以采用较大电流密度驱动，而不会在打线焊盘附近形成电流拥塞。

　　2、3维垂直结构的高电压大电流密度LED芯片

　　垂直结构的高电压芯片的支持衬底采用通孔导电支持衬底，则形成3维垂直结构的高电压大电流密度LED芯片。在导热优良的支持衬底中的金属栓把形成在支持衬底两面的金属膜电连接，形成SMD型式的无需打线的高电压大电流芯片。其优势在于，散热优良，无需打金线，适宜采用大电流密度驱动。

三、交流LED芯片

　　（一）正装结构的交流LED芯片

　　把高压直流芯片中的数个芯片单元连接成正负反向连接或桥式回路连接，构成交流LED芯片。

　　1、正负反向连接的正装结构的交流LED芯片  

图13：正反向连接的交流LED芯片

　　2002年，首尔半导体提出正负反向连接的正装结构的交流LED芯片，如图13所示，2组串联的LED芯片单元正负反向连接到电极32，形成交流芯片。

　　2010年6月，推出交流芯片Acriche A4，达到：100 lm/W，是目前业界最高水平。

图14：正负反向连接的交流LED芯片

　　2008年，Lumileds提出的正负反向连接的交流LED芯片的结构如图14所示。一个芯片上的芯片单元形成串联的两串，把两串正负反向连接，构成一个正装结构的高电压交流LED芯片。 

　　2、桥式回路连接的正装结构的交流LED芯片

　　台湾工研院提出桥式回路连接的正装结构的交流LED芯片，如图15。一个LED芯片上的多个芯片单元32a串联，芯片单元31a、31b、31c、31d和32a形成桥式回路连接，使得该芯片可以承受交流电驱动。

　　晶元于2009年4月推出桥式回路连接的正装结构的交流LED芯片，采用30mA@27.5Vrms驱动。一个1.2 x 1.2 mm2的芯片分成28个芯片单元，每个芯片单元的面积最大为0.0514mm2，每个芯片单元的电流密度约为29A/cm2。

　　（二）垂直结构的交流LED芯片

　　与正装结构的芯片相比较，垂直结构芯片散热效率较高，可以采用较大电流密度驱动。 因此，垂直结构的交流LED芯片被提出。

　　1、正负反向连接的垂直结构的交流LED芯片

　　正负反向连接的垂直结构的交流的大电流密度LED芯片100（图16）包括多个芯片单元，每个芯片单元包括外延薄膜和金属膜。多个外延薄膜的p型限制层分别键合在金属薄膜101a、101e、102a、102e上，剥离生长衬底，外延薄膜的n型限制层101b、101f、102b、102f暴露，形成电极101d、101g、102c、102d，构成芯片单元。其中，芯片单元101b和101f串联，芯片单元102b和102f串联。把串联的芯片单元101b和101f与串联的芯片单元102b和102f正负反向连接，形成垂直结构的交流的大电流密度驱动的LED芯片。

　　2、桥式回路连接的垂直结构的交流LED芯片

　　垂直结构的交流的大电流密度LED芯片包括多个芯片单元，每个芯片单元包括外延薄膜、金属膜和支持衬底，金属薄膜形成在支持衬底上，多个外延薄膜的p型限制层分别键合在金属薄膜上，剥离生长衬底，外延薄膜的n型限制层暴露，形成电极，使得芯片单元形成桥式回路连接，成为垂直结构的交流的大电流密度驱动的LED芯片。   

　　（三）3维垂直结构的交流的大电流密度LED芯片

　　在垂直结构的交流的大电流密度LED芯片中，采用通孔导电支持衬底，形成3维垂直结构的交流的大电流密度LED芯片，其优势为，无需打金线，形成SMD型式，解决了芯片和封装的散热问题。

　　1、正负反向连接的3维垂直结构的交流的大电流密度LED芯片

　　在3维垂直结构的直流的高电压大电流密度LED芯片上，设计电极连接方式，使得多个芯片单元形成正负反向连接，则形成正负反向连接的3维垂直结构的交流的大电流密度LED芯片。

　　2、桥式回路连接的3维垂直结构的交流的大电流密度LED芯片

　　在3维垂直结构的直流的高电压大电流密度LED芯片上，设计电极连接方式，使得多个芯片单元形成桥式回路连接，则形成桥式回路连接的3维垂直结构的交流的大电流密度LED芯片。

四、交流LED电路

　　对于小功率灯具，采用交流LED芯片比较适宜。对于大功率灯具，采用直流LED芯片形成交流LED电路比较适宜。

　　（一）正负反向连接的交流LED电路 

图17：Lynk Lab的交流电路

　　Lynk Lab最先推出采用直流LED芯片形成正负反向连接的交流LED电路（图17）（摘自晶元光电的报告）。

　　（二）桥式回路连接的交流LED电路

图18：桥式回路连接的交流LED电路

　　桥式回路连接的交流LED电路有多种不同的连接方式。

　　图18展示由半导体整流二极管542组成的桥式回路，包括4串串联的LED芯片。交流电的正半周或负半周流经4串中的3串串联的LED芯片。

图19：桥式回路连接的交流LED电路

　　图19展示桥式回路，包括，半导体整流二极管101a、101b、101c、101d和多串并联和串联组合的LED芯片102a、102b、102c、102d。交流电的正半周或负半周流经全部的LED芯片。