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Philips Lumileds的Luxeon LED芯片采用覆晶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已經(jīng)用于建筑照明。例如位于英國(guó)Bristol，且擁有143年悠久歷史的Clifton吊橋。薄膜技術(shù)的發(fā)展將推動(dòng)Luxeon產(chǎn)品的性能至一個(gè)更高的水平，并開(kāi)始進(jìn)入住宅照明市場(chǎng)。

商業(yè)化白光LED的性能在過(guò)去的幾個(gè)月里迅速上升。競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)激起組件架構(gòu)的創(chuàng)新，此新的組件架構(gòu)不旦改善了光子捕捉效率，也依次提升了芯片的亮度及輸出功率。這就擴(kuò)展了這些組件的應(yīng)用范圍，使得它們的特性更加符合固態(tài)照明中的廣泛使用需求。

針對(duì)這些照明應(yīng)用 ，除了當(dāng)今眾多商業(yè)化的LED產(chǎn)品之外，還有Philips Lumileds所設(shè)計(jì)的一種氮化銦鎵/氮化鎵（InGaN/GaN）覆晶芯片，這就是我們公司Luxeon產(chǎn)品的特點(diǎn)。我們已經(jīng)成功地將InGaN/GaN覆晶與薄膜架構(gòu)整合在一起以創(chuàng)造一種更高效能的薄膜覆晶（Thin-film Flip-chip，TFFC） LED （請(qǐng)參考圖一a）。

這個(gè)組件結(jié)合了兩種方法的制造優(yōu)點(diǎn)，其使用一個(gè)覆晶LED芯片制造而成。此芯片在同側(cè)具有陽(yáng)極及陰極，并使用金互連技術(shù)將其焊接在一個(gè)次載具（submount）或封裝之上（請(qǐng)參考圖一b）。先利用一準(zhǔn)分子激光器移除藍(lán)寶石基材，接著以GaN頂層之光電化學(xué)蝕刻，利用紫外燈和稀釋的氫氧化鉀溶液粗化芯片的表面。在高反射率磊晶層中，這樣的紋理架構(gòu)破壞了波導(dǎo)，增大了光輸出并且顯著增強(qiáng)了LED的外部量子效率。

薄膜覆晶LED架構(gòu)創(chuàng)作出極好的組件特性。接下來(lái)我們所展示的就是個(gè)例子，其輸出功率高于垂直入射型薄膜（Vertically Injected Thin-film，VTF）芯片（請(qǐng)參考圖一c）。遠(yuǎn)在十幾年前就有人提出這種設(shè)計(jì)，只是近才被幾家芯片制造商采用。

垂直架構(gòu)的問(wèn)題
VTF設(shè)計(jì)的底側(cè)是此構(gòu)造的重點(diǎn)。它通常是這樣制造而成的︰在磊晶芯片的p-side上沈積一高反射率金屬接觸，然后將這種架構(gòu)與居中的導(dǎo)電基材接合在一起，以便在后續(xù)的所有制程和封裝過(guò)程中維持組件的完整性。在光電化學(xué)蝕刻將暴露的GaN表面粗化之前，以激光輔助剝離技術(shù)移除藍(lán)寶石基材，并加入一個(gè)包含打線接合且像網(wǎng)狀的金屬n型接觸。

相較于TFFC設(shè)計(jì)，這種架構(gòu)具有二個(gè)重要的缺點(diǎn)。第一個(gè)是中間的基材增加了封裝的熱阻。必須很小心的挑選可與GaN熱膨脹系數(shù)相匹配的基材，否則在溫度循環(huán)中會(huì)發(fā)生組件故障。另外一個(gè)VTF設(shè)計(jì)的弱點(diǎn)就是較低的光輸出。已制作圖案的n型接觸縮小了芯片的有效發(fā)光面積，同時(shí)打線接合也阻礙了光的放射。對(duì)于投影顯示與一些照明系統(tǒng)當(dāng)中所使用的緊密芯片數(shù)組而言，這些打線接合特別另人感到討厭，就因?yàn)樗鼈冏孡ED表面到主光學(xué)系統(tǒng)之間的距離拉大了。較大的距離不是增加了尺寸、重量以及光學(xué)的成本，就是降低了系統(tǒng)的效率（請(qǐng)參考圖二）。相較之下，我們的覆晶架構(gòu)允許緊密的LED芯片封裝，因?yàn)殡姌O已經(jīng)從光路上移開(kāi)了。

我們比較了我們所生產(chǎn)的二種TFFC發(fā)光二極管之效能，它們分別是以覆晶芯片及VTF芯片制造而成，而且都使用了相同的藍(lán)寶石來(lái)成長(zhǎng)GaN磊晶晶圓。針對(duì)每種類型的組件，量測(cè)好的已封裝藍(lán)色發(fā)光芯片（1mm x 1mm），結(jié)果顯示TFF架構(gòu)正如預(yù)期那樣得到高輸出（請(qǐng)參考圖三）。在1000mA驅(qū)動(dòng)電流下，好性能的TFFC LED的輸出比FC組件的輸出還要要高出46%，比起VTF芯片的輸出則高出17%。

在此次的展示中，雖然VTF組件的頂部金屬接觸之圖案制作仍未達(dá)到完美，但是要同時(shí)增強(qiáng)發(fā)光效率及大電流能卻是件不可能的事。如果頂部金屬接觸的尺寸為了得到大光強(qiáng)度而小化，那么電流擁擠就會(huì)增大，這樣會(huì)削弱電輸入功率。

我們的TFFC藍(lán)光和白光LED芯片之效能與光輸出，在25℃與直流條件下的結(jié)果如圖四及圖五所示。這二種組件的金屬化及接觸的幾何形狀皆已佳化，以便提供一低的動(dòng)態(tài)阻抗：350mA時(shí)為0.8Ω，1000mA時(shí)為0.4Ω。

我們的425納米藍(lán)光LED具有的大外部量子效率（External Quantum Efficiency，EQE）為61%，功率轉(zhuǎn)換效率（wall-plug efficiency，WPE）為56%。在350mA時(shí)，EQE為56%、WPE為44%時(shí)，芯片能輸出566mW。在2000mA時(shí)，其輸出提升至2W左右。在這樣的電流密度下，如此的效率是已報(bào)導(dǎo)過(guò)的藍(lán)光組件中效率高者之一。

封裝好的白光TFFC LED，其混合了YAG：Ce黃色熒光粉，在10mA時(shí)的峰值發(fā)光效率為147 lm/W。在350mA和1000mA時(shí)，其效率分別為88 lm/W和56 lm/W（請(qǐng)參考圖五）。這些效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過(guò)那些僅具發(fā)光效率25 lm/W的典型鹵素光源，這將使照明系統(tǒng)的制造商可以實(shí)現(xiàn)更大的電效率。

其中的一個(gè)未封裝白光LED芯片（1mm X 1mm）表面的亮度Mapping圖顯現(xiàn)出的高輝度為58.8 Mnit （Mcd/m2），其平均表面輝度則為50 Mnit（請(qǐng)參考圖六）。這樣的亮度使得芯片在投影顯示與車(chē)用頭燈應(yīng)用上成為有力的競(jìng)爭(zhēng)者。發(fā)光效率為40 lm/W的LED，其平均亮度遠(yuǎn)比鹵素光源還來(lái)得高（15 - 30 Mnit at ~30 lm/W），而且也不會(huì)比高亮度氣體放電燈泡（high-intensity discharge，HID）差太多（60 - 80Mnit at ~100lm/W）。

我們的組件還有一個(gè)優(yōu)于這兩種選擇的重大優(yōu)勢(shì)：相當(dāng)均勻且可牢固控制的發(fā)光面。這使得設(shè)計(jì)二次光系統(tǒng)更加容易，而且增強(qiáng)了光源利用率。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)汽車(chē)前燈照明系統(tǒng)尤其具有吸引力。實(shí)際上，將這些組件安裝在實(shí)車(chē)上的計(jì)劃正如火如荼的進(jìn)行中。具有非常高表面亮度的單色LED也已經(jīng)被采用，因?yàn)樗鼈儾恍枰?jīng)過(guò)彩色濾光，所以可以直接與超高壓投射燈競(jìng)爭(zhēng)。

可靠度是營(yíng)利成功的另一個(gè)關(guān)鍵變量，我們已經(jīng)使用直流條件與一安培驅(qū)動(dòng)電流來(lái)對(duì)組件進(jìn)行內(nèi)部的高溫可靠度測(cè)試。在110蚓條件下進(jìn)行1000小時(shí)的白光LED芯片測(cè)試及在85蚓條件下進(jìn)行的7000小時(shí)藍(lán)光組件測(cè)試，其光輸出功率的漂移不過(guò)幾個(gè)百分點(diǎn)而已。

我們還打算將TFFC設(shè)計(jì)與Philips Lumileds所發(fā)展的其它技術(shù)結(jié)合起來(lái)，用來(lái)生產(chǎn)一個(gè)1mm x 1mm大小的示范芯片。此芯片在350mA時(shí)具有115 lm/W的效能、在2A時(shí)具有61 lm/W的效能，而芯片的大光輸出則為502 lm。這芯片的相對(duì)色溫為4685K，這數(shù)值低于我們競(jìng)爭(zhēng)者所制造出的許多芯片，也比較接近消費(fèi)者的期望。

產(chǎn)品導(dǎo)入
在未來(lái)12至18個(gè)月中，在這個(gè)創(chuàng)記錄芯片上所使用的各種特別技術(shù)，將會(huì)被整合到我們的產(chǎn)品當(dāng)中。然而，在這段時(shí)間里消費(fèi)者將可以購(gòu)買(mǎi)到我們初的TFFC發(fā)光二極管產(chǎn)品，其提供無(wú)與倫比的效能與多功能性。這些將于今年春季上市的組件，將具有可靠度、高的光輸出與高亮度、且將適用于從投影到一般照明的各種照明系統(tǒng)。我們期望這個(gè)組件平臺(tái)將提供LED消費(fèi)者比以往更高的價(jià)值，并期望建立一個(gè)扎實(shí)的基礎(chǔ)以利擴(kuò)展固態(tài)照明。CSOT

作者
Oleg Shchekin是Philips Lumileds先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員。Decai Sun是Philips Lumileds研發(fā)部門(mén)的課長(zhǎng)。其它Philips Lumileds內(nèi)部有貢獻(xiàn)的作者如下：Henry Choy、Walter Daschner、John Epler、Mari Holcomb、Mike Krames、Ojin Kwon、Tal Margalith、Paul S Martin、Rajat Sharma、Dima Simonian、Dan Steigerwald