第六讲++LED芯片结构和热

1第六讲—LED芯片结构和热2第六讲主要内容LED芯片结构热3/63蓝宝石衬底的GaN基LED芯片-正装芯片由于自然界缺乏GaN单晶材料，体单晶GaN的生长又极其困难，GaN材料的生长主要采用异质外延的方法，通常选用蓝宝石(Al2O3)作为异质外延的衬底。以蓝宝石为衬底的GaN基LED芯片的主要缺陷：（1）由于蓝宝石是电绝缘材料，所以只能将两个电极都做在芯片的出光面，故需要刻蚀N+接触台面，从而牺牲了有源区的面积。（2）正装LED从P-GaN中发光，电极、焊接点和引线都会吸收部分光，从而导致出光效率的降低；45/63（3）由于P-GaN层的电导率非常低，为了增加P-GaN的电流扩散，通常情况下，会在P-GaN层表面再沉积一层电流扩散的金属层，这个电流扩散层由Ni和Au组成，会进一步吸收光，从而降低芯片的出光效率。为了减少发射光的吸收，电流扩展层的厚度应减少到几百纳米。但是厚度的减少反过来又限制了电流扩散层在p-GaN层表面均匀和可靠地扩散电流的能力。因此这种p-型接触结构制约了LED芯片的工作功率。6/63（4）这种结构的p-n结的热量，通过蓝宝石衬底导出去，导热路径较长，且蓝宝石的热导系数较金属低（为35W/m·K），因此，这种结构的LED芯片热阻会较大。综上所述这种正装LED芯片的器件，无论是功率、出光效率还是热性能均不可能是最优的。7/631998年，LumiledsLighting公司首先提出了倒装芯片（Flip-chip）结构的概念，来解决上述所造成的种种问题。到2001年，该公司制备出倒装焊接结构的大功率AlGaInN-LED。蓝宝石衬底的GaN基LED芯片-倒装芯片8/63具体制备过程：（1）首先通过MOCVD生长外延层。LED的有源区由InxGa1-xN多量子阱组成，其波长可以通过改变In的含量来调整；9/63（2）在外延片顶部的P型GaN：Mg层上淀积厚度大于50nm的P电极反射层；（3）刻蚀掉部分P型外延层和多量子阱有源层，露出n型层，然后在暴露的n型GaN层上沉积Al基n接触，其中P型欧姆接触为正方形，N型欧姆接触以梳状插入其中，这样可缩短电流扩展距离，把扩展电阻降至最小；（4）将金属化凸点的AIGalnN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上。倒装芯片的优势（1）既避开P电极上导电层吸收光和电极垫遮光的问题，又可以在p-GaN表面设置低欧姆接触的反光层来将往下的光线引导向上，实现同时降低驱动电压及提高光强。（2）通过共晶焊将LED芯片倒装到具有更高导热率的硅衬底上（导热系数约120W/mK），芯片与衬底间的金凸点和硅衬底同时提高了LED芯片的散热能力。10（3）对于InGaN/AlGaN/GaN双异质结，InGaN活化簿层厚度仅几十纳米，对静电的承受能力有限，很容易被静电击穿，使器件失效。防静电措施：将生产设备接地和隔离人体静电等生产管理方法；LED芯片中加入齐纳保护电路。传统封装工艺：通过金线并联一颗齐纳芯片以提高ESD防护能力，增加封装成本和工艺难度，降低可靠性。倒装工艺：通过在硅衬底内部集成齐纳保护电路的方法，可以大大提高LED芯片的抗静电释放能力（ESD）。11（4）正装结构是GaN与荧光粉和硅胶接触，而倒装结构中是蓝宝石与荧光粉和硅胶接触。GaN的折射率约为2.4，蓝宝石折射率为1.8，荧光粉折射率为1.7，硅胶折射率通常为1.4-1.5。蓝宝石/(硅胶+荧光粉)和GaN/(硅胶+荧光粉)的全反射临界角分别为51.1-70.8°和36.7-45.1°，在封装结构中由蓝宝石表面射出的光经由硅胶和荧光粉界面层的全反射临界角更大，光线全反射损失大大降低，从而提高光效。1213/63垂直结构芯片技术垂直结构LED通过激光剥离工艺将GaN外延层转移至Si、Cu等高热导率的衬底，从而克服传统的蓝宝石衬底GaN基LED在效率、散热、可靠性等方面存在技术瓶颈。14/63垂直结构芯片技术-工艺晶片键合（waferbonding）、激光剥离（laserlift-off）是制备垂直结构GaN基LED的关键工艺，也是垂直结构与目前LED芯片主流制程（正装、倒装）的重要差异。键合技术与激光剥离技术相结合，能够通过将GaN基LED芯片从蓝宝石衬底转移到其它高电导率、高热导率衬底，以期解决蓝宝石衬底给GaN基LED带来的不利影响。15/63垂直结构芯片技术-工艺晶片键合和激光剥离的流程图：(1)和(2)表示首先利用晶片键合的方法将GaN外延片与转移衬底Si键合在一起，Sn/Au和Ti/Al/Ti/Au作为键合金属层，通过热压实现GaN材料与Si衬底结合，键合温度300-500℃。16/63垂直结构芯片技术-工艺(3)与(4)表示利用GaN材料高温分解特性及GaN与蓝宝石间的带隙差，采用光子能量大于GaN带隙而小于蓝宝石带隙的紫外脉冲激光，透过蓝宝石衬底辐照GaN材料，在其界面处产生强烈吸收，使局部温度升高，GaN气化分解，实现蓝宝石衬底剥离。选择合适的能量密度，使高温区集中于界面附近是实现高效、低损伤激光剥离的重要因素；另外，激光束的准直以及激光光斑的均匀性是实现成功剥离的保证。17/63垂直结构芯片技术-优势(1)平面结构LED的p、n电极在同一侧，电流须横向流过n-GaN层，导致电流拥挤，发热量高；而垂直结构LED两个电极分别在LED的两侧，电流几乎全部垂直流过外延层，没有横向流动的电流，电流分布均匀，产生的热量减少。(a)正装结构造成电流拥挤(b)垂直结构电流分布均匀18/63垂直结构芯片技术-优势(2)传统的正装结构采用蓝宝石衬底，由于蓝宝石衬底不导电，所以需要刻蚀台面，牺牲了有源区的面积。另外，由于蓝宝石衬底的导热性差（35Ｗ/(m•K)），还限制了LED芯片的散热；垂直结构LED采用键合与剥离的方法将蓝宝石衬底去除，换成导电性好并且具有高热导率的衬底，不仅不需要刻蚀台面，可充分的利用有源区，而且可有效地散热。19/63垂直结构芯片技术-优势(3)正装结构GaN基LED，p-GaN层为出光面，由于该层较薄，不利于制作表面微结构。但是对于垂直结构LED，n-GaN层为出光面，该层具有一定的厚度，便于制作表面微结构，以提高光提取效率。20/63硅和蓝宝石衬底GaN基LED的I-V特性硅和蓝宝石衬底上LED输出光功率随电流的变化特性垂直结构芯片技术-优势21/63薄膜倒装LED（TFFC-LED）到2006年，PhilipsLumiledsLighting公司报道了一种新的薄膜倒装焊接的多量子阱结构的LED（TFFC-LED）。薄膜倒装结构的示意图以及工作状态下点亮后的显微图22/63薄膜结构的LED，就是首先用准分子激光器移除蓝宝石衬底。然后在暴露的n型GaN层上用光刻技术做表面粗化。接着在有粗糙结构的n-GaN上制备了n型电极，通过导线与负极键合，最后将垂直结构的LED的P-GaN，连接到另外一个半导体上作为电极。这种薄膜结构的LED可以有效的增加光取出效率。倒装LED就是，将芯片倒装焊接到高热传导的热沉上。在倒装焊接结构中由于消除了生长衬底、连接导线和n电极的影响，导致了出光效率的增加。薄膜倒装焊接LED，就是将薄膜LED与倒装LED的概念结合起来。23/63薄膜倒装LED（TFFC-LED）优势TFFC-LED为薄膜倒装LEDVTF为垂直结构LEDFC为传统倒装结构LED24第六讲主要内容LED芯片结构热25/43照明用LED发光效率的提高是当前LED产业发展的关键问题之一，但是LED发光效率均随温度升高而降低。LED结温的变化会影响其光通量、颜色和正向电压等变化，还会影响器件的效率和寿命。而热阻的大小对功率LED的发光效率和寿命影响尤甚，对功率LED来说是重要参数之一。如果LED的PN结温度比较高，但是能散出去，问题就不是很大，关键是怎么散出去？LED结温26/43热性能参数（热阻）热阻定义：结构对热功率传输所产生的阻力；通常将两个节点间单位热功率传输所产生的温度差定义为该两个节点间的热阻。目前1W功率LED：10～20℃/W（较差），8～9℃/W（较好），3～5℃/W（最好）。DTPTR27/43热性能参数（热导系数）导热是以热量进行能量传递的一种形式。热导率是量度材料导热性能的物理量，又称导热系数。其定义为面积热流量除以温度梯度。单位是瓦[特]每米开[尔文]，符号为W/(m·K)。热流量是单位时间内通过一个面的热量，单位为瓦[特]，符号为W；面积热流量为热流量除以面积，单位为瓦[特]每平方米，符号为W/m2。热导率是热传导中最常用的一个量。28/43LED相关材料的热导系数29/43温度对LED正向电压的影响LED的伏安特性和其它二极管一样具有负温度系数的特点，即在结温升高时I/V曲线出现左移现象，如下图所示。30/43温度对LED正向电压的影响-恒流驱动一般LED的结温每升高1°C，I/V曲线会向左平移1.5~4mV，假如所加的电压为恒定，那么显然电流会增加，电流增加只会使它的结温升得更高，甚至导致恶性循环。所以，目前LED驱动电源一般设计为恒流供电。根据I/V曲线随结温升高左移的规律，在恒流供电的情况下，测量LED的正向电压可以推算LED结温。31/43温度对LED正向电压的影响-温度系数假定对LED以Io恒流供电，在结温为T1时，电压为V1，而当结温升高为T2时，整个伏安特性左移，电流Io不变，电压变为V2。这两个电压差被温度去除，就可以得到其温度系数，以mV/oC表示。对于普通硅二极管，温度系数大约为-2mV/oC。LED大多数不是用硅材料制成的，故其温度系数需另外测定。各LED厂家的数据表中大多给出了它的温度系数。例如对于Cree公司的XLamp7090XR-E大功率LED，其温度系数为-4mV/oC。公司产品的温度系数如何测定呢？32HEO-300LED热电性能分析仪温度系数测量3334/43温度对LED正向电压的影响-LED结温测算以Cree公司的XLamp7090XR-E为例。LED安装到散热器中，采用恒流驱动器作为电源。在通电以前就把电压表连接到输出端(LED的正极和负极)，然后接通电源，趁LED还没有热起来之前，马上读出电压表的读数，也就是相当于V1的值，然后等至少1小时，等它已经达到热平衡，再测一次，LED两端的电压，相当于V2。把这两个值相减，得出其差值。再被4mV去除一下，就可以得出结温了。35/43实际情况：LED电路多为并联混连，那么LED结温如何测算？例如，LED是10串2并，第一次测得的电压为33V，第二次热平衡后测得的电压为30V，电压差为3V。这个数字先要除以所串联的LED个数(10个)，得到0.3V，再除以4mV，可以得到75度。假定开机前的环境温度是20度，那么这时候的结温就应当是95度。温度对LED正向电压的影响-LED结温测算36/43温度升高会降低LED的发光效率LED光通量与结温的关系可以用下式表示:37/43温度升高会降低LED的发光效率LED光效温度系数k最好在2.0×10-3以下，这样由温度引起的LED光输出降低才不会很大。例如，InGaN类LED的k值约为1.2×10-3，结温125℃时光输出相对结温25℃时降低约11%。不同k值LED的光输出（百分比）随结温的变化关系38/43温度升高会缩短LED的寿命PhilipsLumiled公司的LuxeonK2的光衰曲线如图所示，当结温从115℃提高到135℃，其寿命就会从50，000小时缩短到20，000小时。39/43温度对LED发光波长(光色)的影响对于一个LED器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。温度升高，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，颜色发生红移。通常可将波长随结温的变化表示为：