大尺寸高压直流LED芯片制造的关键技术研究

The size scalable high voltage light emitting diodes (HV LED) chip utilizes the high luminous efficiency characteristics of small-size LED cell operated at low injection current condition, which can effectively alleviate the efficiency droop phenomena of the conventional high power LED chip under the high injection current condition, and has a considerable application value in solid-state lighting. However, the luminous effeciency of the size scalable HV LED chip is still low compared to the high power LED. Meanwhile, the method to further improve the luminous efficiency of the size scalable HV LED chip should be investigated in depth. Accordingly,the proposal will solve the key scientific problem of HV LED manufacturing, and focus on the mechanisms of interactions between HV LED structure parameters and deive performance. In order to improve light extraction efficiency and increase utilization ratio of action region area, the optimized light extraction structure and cell array layout are designed. We will also present a new device structure and method to improve the luminous efficiency of HV LED chip, solve the light loss problem caused by light coupling propagation existing along the LED cell array, and realize the design and manufacturing of 160lm/W HV LED chip.

大尺寸高压直流LED芯片（HV LED）利用小电流驱动的小尺寸LED单胞具有高光效的特点，可以有效缓解传统大功率LED芯片受到大电流注入而引起的量子效率衰减效应，在半导体照明领域具有重要的应用价值。然而，目前大尺寸HV LED芯片的发光效率较低，对制约HV LED芯片发光效率进一步提升的因素也缺乏深入的研究。本项目将致力于解决超高效率、大尺寸HV LED芯片制造的若干关键科学问题，重点研究HV LED结构参数与器件性能之间的关系，通过合理的取光结构设计，提高LED单胞出光效率，通过对LED单胞阵列布局方式的优化设计，提高HV LED芯片有源区面积利用率；提出提高大尺寸HV LED芯片发光效率的新结构、新方法，解决光子在相邻LED单胞之间耦合传播引起的光损耗问题，实现发光效率为160lm/W的大尺寸HV LED芯片的设计与制造。

大尺寸高压直流芯片由大量小尺寸 LED单胞集成串联而成，可以利用小电流驱动条件下小尺寸 LED单胞具有高光效的特性，避免了大功率 LED 芯片受到大电流注入而面临的电流扩展，在半导体照明领域具有重要的应用价值。本项目研究工作如下：. 1）通过ICP刻蚀技术对GaN进行刻蚀，并结合版图设计在LED单胞侧面形成波浪状微结构，使高压直流 LED芯片的侧面出光效率提高了11%。通过在光刻和湿法腐蚀在ITO透明导电层上形成三维（3D）台阶状微结构，使LED芯片的出光效率提升了13.9%。通过激光切割和高温磷酸腐蚀技术在蓝宝石图形衬底和GaN缓冲层之间形成空气间隙微结构，并详细分析了空穴间隙微结构的几何尺寸对LED芯片出光效率的影响，实验结果表明，通过在LED芯片侧面嵌入空隙间隙微结构可使其出光效率提升8.9%。. 2）通过实验对比分析了相同尺寸高压直流 LED芯片和高压交流LED芯片的光电性能，实验结果表明，高压直流LED芯片的光输出功率比高压交流LED芯片的光输出功率高9.8%。研究了 LED 单胞阵列布局方式对高压直流LED 芯片光电性能的影响，通过对LED 单胞阵列布局方式的优化设计，使高压直流LED （24 V）的发光效率达到173 lm/W（@15 mA）。. 3）采用高速率、低损伤ICP深刻蚀技术实现LED单胞间深隔离沟槽的制造，通过调整光刻胶热回流和ICP刻蚀工艺参数对深隔离沟槽的形貌进行调控，使LED单胞侧壁倾斜角度分布在120°至150°之间，有效提高了LED单胞间金属互连的良率。针对HV LED芯片有源区出射光线在 LED 单胞阵列内耦合传播的问题，建立了高压直流LED芯片的光学模型，通过理论和实验相结合分析了 LED 单胞间距、LED 单胞侧壁倾斜角度对光子耦合传播的影响，当LED单胞间距从3.81 μm增加至12.30 μm时，HV LED芯片的光输出功率从170 mW增加至185 mW；然而当LED单胞间距从12.30 μm增加至40.49 μm时，HV LED芯片的光输出功率从185 mW下降至150 mW。因此LED单胞间距分布在5 μm-15 μm之间可以有效缓解光线在LED单胞之间的耦合传播。