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提高白光LED取光效率—— AlGalnN倒装芯片结构

2022-04-08 14:25:23

为满足光源对高光通量的需求,美国AXT公司将 AlGaInN芯片面积由常规的0.325mmx0.375mm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白光LED芯片能够在大电流(350mA)下工作,450mm505m525m波长下的辐射光通量分别为35mW30mW27mW,流明效率分别为6lm/W12.5lmW17.5lmW。尽管这种LED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,正面射出的光将被接触电极吸收和键合引线遮挡。造成光吸收的主要因素是:PGaN层的电导率较低,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欧姆接触层的厚度应大于50mm,但是,要使光吸收Z小,NiAu欧姆接触层就必须非常薄,这样在透光率和扩展电阻率二者之间要给以适当的折衷,折中设计的结果必定使其转换功率的提高受到限制。商华建设

传统的蓝宝石衬底GaN芯片的结构如图2-30所示,电极刚好位于芯片的出光面。商华建设在这种结构中,小部分PGaN层和“发光”层被刻蚀,以便与下面的N-GaN层形成电接触。光从Z上面的PGaN层取出。PGaN层有限的电导率要求在其表面再沉淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层由NiA组成,会吸收部分光,从而降低芯片的出光效率。为了减少对发射光的吸收,电流扩展层的厚度应减小到几百纳米。厚度的减小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大电流的能力。因此,这种P型接触结构制约了LED芯片的工作功率。同时,这种结构的PN结的热量通过蓝宝石衬底传导出去,导热路径较长。由于蓝宝石的热导系数比金属低[35W/(m·K)],因此,这种结构的LED芯片的热阻会较大。此外,这种结构的P电极和引线也会挡住部分光线进入器件封装内,所以,这种正装LED芯片的功率、出光效率和热性能均不可能是Z优的。

为了克服正装芯片的这些不足, Lumiled公司发明了倒装芯片结构。商华建设在因此这种结构中,光从蓝宝石衬底取出,而不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层取光,这样不透光的电流扩散层可以加厚,增大了芯片的电流密度。同时,这种结构还可以将PN结的热量通过金属凸点直接传导给热导系数高的硅衬底[145W/(m·K)],散热效果更优;而且在PN结与P电极之间增加了一个反光层,又消除了电极和引线的挡光问题,因此这种结构具有电、光、热等方面Z优的特性。

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合引线挡光的影响,而且还不必考虑NAu欧姆接触层的透光性,将其厚度增至50m以上,从而改善了注入电流扩展的效果,降低了正向压降;商华建设同时还起到了背反射作用,将有源层发出的光经过底部的NiM层反射,从蓝宝石衬底取出。因此, AlGalnN倒装芯片结构使取光效率有了明显提高,其制造过程如下。

①在外延片顶部的PGaNMg上淀积厚度大于5ommNiAu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。

③经淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层,芯片尺寸为1 mmxImmP型欧姆接触区为正方形,周欧姆接触区以梳状插入其中,这样可缩短电流扩展距离,把扩展电阻降至Z小。

④将金属化凸点的 AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上。

⑤通过倒装 AlGaInN芯片的硅载体与管壳底盘进行电气连接,并将其封装在具有良好光学特性的允许大电流和高温工作的管壳之中。

大功率 AlGaInN背面出光(倒装芯片)LED的结面积为07m2,大功率 AlGaInN正面出光LED的结面积为0.7mm2,常规型 AlGaInN LED的结面积为0.07mm2。这3种器件相比,常规型LED由于芯片尺寸较小,在大电流(150mA)下工作仅几小时就会出现明显退化而永远失效,而大功率白光LED即使在1A电流下工作也未出现功率下降和失效现象;同时还可以看出背面出光的大功率白光LED比正面出光的LED具有更高的功率转换效率,在200mA电流下光通量为161~27lm/W,在1A电流下可达到48lm/W。为便于对正面出光和背面出光两种大功率白光LED在不同波长下的外量子效率进行比较,这两种器件均取自于同一外延片,并采用脉冲方式工作,以避免热阻的影响。在25~1000mA驱动电流和蓝光到绿光波长的覆盖范围内,背面出光的大功率白光LED比正面出光的LED的外量子效率大1.6倍,具有更高的取光效率。 AlGaInN大功率倒装芯片LED在正向电流为200mA、正向电压为295V时的外量子效率为21%,在正向电流为1A、正向电压为3.3V时光输出功率约为400mW,在200mA时功率转换效率为20%。当热衬温度为55℃、电流密度为50Am2时,器件的工作寿命数据为:80只器件连续工作1000h时的光输出功率仅下降3%。上述结果表明, AlGaInN大功率倒装芯片(FC)LED的性能是优异的。商华建设

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