阵列式LED高压交／直流芯片关键技术及产业化研究

    随着技术的不断进步和发展，GaN基LED的发光效率和可靠性在不断的提高和改善，其寿命也越来越长。相比于其他传统光源，高性能LED具有光电转换效率高、寿命长、低损耗、无污染等显著优势，因此选择高性能LED作为高效绿色环保的照明光源来降低通用照明用电是节能减排的一个良好的途径。

    本项目是根据国家中长期科技发展规划中关于研究开发高效节能、长寿命半导体照明产品的要求，根据国家“十二五”规划关于通过自主创新，突破白光普通照明核心技术和产业化关键技术，完善技术创新体系，培育科技创新领军人才和创新团队，建立特色产业基地，形成具有国际竞争力的半导体照明战略性新兴产业的要求，确定“阵列式LED高压交／直流芯片关键技术及产业化研究”课题的研究目标。

    目前，公共用电多以交流电的方式提供。而传统LED皆须以直流电作为驱动，因此在使用时，必须附带整流变压器进行AC／DC转换，才能确保LED的正常运作。然而，在AC／DC转换的过程中，有高达15% - 30%的电力耗损，另外，驱动电源寿命只有2万小时，但直流电驱动的LED产品的寿命却长达5- 10万小时，而交流驱动LED的研究及其产业化对LED照明应用具有革命性的意义，因为它将摆脱驱动电源寿命的瓶颈，应用成本将显著降低。

    传统白炽灯因电光转换效率差，且有环保上的问题，在节能减排风潮带动下，2010年起全球将纷纷禁用，宣告LED照明普及时代已不远，但目前仍需进一步提升白光LED发光效率和散热设计。LED在电流通过发光时会产生热能，而DC LED在AC／DC转换过程中产生更多热能，因此散热设计将是影响LED使用寿命的关键。AC LED透过特殊电路设计可直接使用交流电驱动，不需配合整流变压器也能正常运作，所以在照明灯具设计上，体积及重量都能较一般DC LED灯具更有优势。但目前因发光效率仍比DC LED差，价格也较贵，在应用推广上仍需一段时间。

课题成果简介

(1)根据课题的立项目标，本论文设计并制造了GaN基阵列式高压(High Voltage) LED器件。发光图片如图l所示，采用自主设计的微晶粒排列布局、电极结构以及工艺流程，成功实现了阵列式LED器件的点亮。针对提高GaN基阵列式HV-LED器件性能指标，我们采用高温酸腐蚀、空气桥电极互连、隐形切割和DBR背反膜等芯片工艺，成功完成课题指标。开发出具有自主知识产权的高压(HV)LED芯片及封装技术，加快LED集成工艺的技术发展，推动新型器件的开发和新型应用。该高压直流白光LED为16颗微晶粒串联，裸芯光功率> 360mw (@20mA)，白光出光效率≥130lm/W(@≤20mA)，峰值光效，峰值光效203.6lm/w (@lmA)，峰值外量子效率EQE为48. 3% (@3mA)，如图2左图所示。此外，本课题中同时采用ITO和石墨烯新型材料作为阵列式LED器件中微晶粒间的互连电极，通过相配套的工艺流程设计和器件制作，成功实现了器件点亮。为了更好的分析所得高压管芯的数据，使用LED点测机（Chroma机台）对制作完成后的HV-LED晶圆片进行点测，得到工作电压VF（20mA驱动）、输出光功率LOP（20mA驱动）、主波长WD（20mA驱动）以及反向漏电Ir（反向200V电压），分别如图2右图所示。20mA驱动下，主bin工作电压VF在50 - 5IV之间，主bin光输出功率LOP在369 - 385mW之间，主bin波长WD在452 - 455nm之间，反向漏电Ir在luA以下，良率达80%以上，符合产业化标准。本项目发表论文四篇，申请自主知识产权9项。

(2)依托本项目研究经费，通过版图设计、器件工艺设计和产业化制作，自主研发了48V和24V的ACLED集成式芯片，以及对其性能经行研究测试，得到了新能优良的ACLED芯片，如图3所示。此外、我课题组还针对交流发光二极管AC-LED的光电特性以及失效机制展开了研究。我们发现，交流驱动下的ACLED相对于直流驱动下的AC-LED，光输出功率下降了17. 8%，这主要是因为交流电压小于LED驱动电压的时候，LED是不发光的。如果要维持有效的输入功率不变，我们就需要提高ACLED的驱动电流，然而，大电流会引起严重的LED效率下降现象，最终导致AC LED的光输出功率的下降。此外，我们还研究了AC-LED的失效机制。在大电流应力驱动下，我们发现AC LED呈现了和传统DC-LED相同的光功率变化趋势。随着老化的进行，AC LED的光功率先上升后下降。AC-LED的失效主要发生在整流分支的LED连接处，这是整流分支上大的电流密度以及互连电极侧壁上潜在的一些泄露通道所致。对交流光电特性以及可靠性的研究，可以对交流LED的设计以及未来应用进行一个可依据的指导。