如何將高功率LED光輸出功率提高5倍以上 - 全文

　　β-Ga2O3不僅可用于功率元件，而且還可用于LED芯片、各種傳感器元件及攝像元件等，應(yīng)用范圍很廣。其中，使用GaN類半導(dǎo)體的LED芯片基板是最被看好的用途。尤其值得一提的是，β-Ga2O3具備適合需要大驅(qū)動(dòng)電流的高功率LED的特性。

　　GaN基LED芯片廣泛用于藍(lán)色、紫色及紫外等光線波長(zhǎng)較短的LED。其中，藍(lán)色LED芯片是作為白色LED的重要基礎(chǔ)部件。GaN基藍(lán)色LED芯片現(xiàn)在是在藍(lán)寶石基板上制造。

　　β-Ga2O3基板與藍(lán)寶石基板相比，紫外光及可見光的透射率同為80％，此外其電阻率為0.005Ωcm左右，具有良好的導(dǎo)電性。

　　透射率越高，就越容易將LED芯片發(fā)光層發(fā)出的光提取到外部，有望提高光輸出功率及發(fā)光效率。而且，由于導(dǎo)電性高，因此還可采用在LED芯片表面和背面分別形成陽極和陰極的垂直結(jié)構(gòu)。而藍(lán)寶石基板具有絕緣性，因此采用橫向配置陽極和陰極的橫向結(jié)構(gòu)。

　　垂直結(jié)構(gòu)與橫向結(jié)構(gòu)相比，不僅可以降低元件電阻及熱阻，而且還可使電流分布均勻化。由于元件電阻及熱阻越小，LED芯片的發(fā)熱量就越少，因此適合驅(qū)動(dòng)電流較大的情況。

　　垂直結(jié)構(gòu)容易使電流分布均勻化，因此即使流過大電流，LED芯片也不易損壞。此外，電流均勻流過LED芯片，還可減輕發(fā)光不均現(xiàn)象。因此，與采用橫向結(jié)構(gòu)的普通的藍(lán)寶石基板產(chǎn)品相比，β-Ga2O3 基板單位面積的光輸出功率估計(jì)可達(dá)到10倍以上。

　　SiC基板也可實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)，但其成本較高。而采用β-Ga2O3的話，則有望以更低成本來制造基板。

　　SiC基板在元件特性方面也存在問題。SiC基板的藍(lán)色光吸收特性與電阻呈此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。抑制藍(lán)色光的吸收，電阻就會(huì)變大。所以元件電阻的降低就會(huì)存在極限。

　　光輸出功率為市售產(chǎn)品的5倍

　　雖然使用β-Ga2O3基板的GaN基LED芯片目前正在開發(fā)之中，但已經(jīng)獲得了一定成果。比如，日本信息通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）的研究小組試制出了發(fā)光波長(zhǎng)為450nm的300μm見方的LED元件。該元件在n型Ga2O3基板上，利用MOCVD法，經(jīng)由緩沖層層疊了n型GaN層、InGaN/GaN的多重量子阱構(gòu)造的活性層，以及p型GaN層（圖A-1）。在基板側(cè)形成了Ti/Au的n型電極，在另一側(cè)形成了Ag類的p型電極。

　　圖A-1：在n型Ga2O3基板上制造的GaN基LED芯片

　　在n型Ga2O3基板上經(jīng)由緩沖層層疊GaN類半導(dǎo)體，由此制造LED芯片。本圖是將p層朝下實(shí)施封裝的示例。

　　該試制品在驅(qū)動(dòng)電流為1200mA時(shí)的光輸出功率為170mW（圖A-2）。與市售的300μm見方橫向結(jié)構(gòu)藍(lán)色LED芯片相比，可實(shí)現(xiàn)5倍以上的光輸出功率。并且，通過改進(jìn)發(fā)光層及光提取構(gòu)造等，還有望將光輸出功率再提高2倍。

　　圖A-2：光輸出功率高達(dá)170mW

　　試制品在驅(qū)動(dòng)電流為1200mA時(shí)的光輸出功率為170mW。將來通過改進(jìn)發(fā)光層及光提取構(gòu)造等，還有望將光輸出功率再提高2倍。

　　此外，NICT的研究小組還試制出了元件電阻得以降低的使用β-Ga2O3基板LED芯片。芯片尺寸為300μm見方，驅(qū)動(dòng)電流為200mA時(shí)工作電壓僅為3.3V（圖A-3）。該尺寸的橫行結(jié)構(gòu)市售產(chǎn)品在驅(qū)動(dòng)電流為200mA時(shí)，工作電壓高達(dá)4.7V。由于工作電壓低，因此能夠減少以大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)的發(fā)熱量。

　　圖A-3：工作電壓低

　　芯片尺寸為300μm見方，驅(qū)動(dòng)電流為200mA時(shí)工作電壓僅為3.3V。

　　熱阻降至1/10以下

　　另外，此次試制的LED芯片的熱阻很低。通過將LED芯片的p層側(cè)朝下實(shí)施封裝，便可抑制熱阻（圖A-1）。使用AuSn作為固晶部分的接合金屬，而且LED芯片尺寸為1mm見方時(shí)，據(jù)推算，活性層至接合金屬的熱阻合計(jì)在0.1℃/W以下，僅為同尺寸的橫向結(jié)構(gòu)市售產(chǎn)品的1/10～1/100。

　　而且試制的LED芯片的電流分布也很均勻。為了調(diào)查其電流分布情況，研究小組檢測(cè)了1mm見方LED芯片內(nèi)部的面內(nèi)溫度分布。結(jié)果顯示，即使元件溫度平均上升70℃，面內(nèi)溫度差最大也只有7℃。

　　如上所述，使用β-Ga2O3基板的LED芯片非常適合大電流用途。在將這種基板用于LED產(chǎn)品方面，NICT的研究小組正以2012年度內(nèi)推出產(chǎn)品為目標(biāo)，朝著實(shí)用化方向推進(jìn)開發(fā)。