[發明專利]具單胞失效自防護功能的多胞連接大功率光電器件

有效

• 申請號: 200910027433.5
• 申請日: 2009-05-06
• 公開（公告）號: CN101645441A
• 公開（公告）日: 2010-02-10
• 發明（設計）人: 蔡勇
• 申請（專利權）人: 蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01L25/075
• 分類號: H01L25/075;H01S3/23;H01L23/62;H01L23/48
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司
• 代理人: 陳忠輝

技術領域

本發明涉及半導體光電器件結構，尤其涉及大功率光電器件的芯片結構， 屬于半導體光電領域。

背景技術

光電器件是指光能和電能相互轉換的一類器件。其種類眾多，如：發光二 極管(LED)、太陽能電池、光電探測器、激光器(LD)等等。其中LED是 日常生活中使用最為廣泛的一種光電器件。近年來，隨著氮化鎵基藍光、綠光 和紫外光LED技術的不斷成熟，發光效率不斷提高，LED應用價值越來越受 到重視。LED作為一種光源有著眾多的優點，突出表現在：發光效能高(最新 研究成果已實現了白光160lm/W，超過了白熾燈和熒光燈，因此在節能方面有 優異的表現)；光波長范圍窄，色彩飽度高；體積小、重量輕、點光源，實際 應用靈活方便；基于氮化鎵的LED無毒、無公害，屬于綠色環保光源。因 此，LED在照明領域有著巨大的應用價值。

目前，LED已經大量進入大屏幕顯示、裝飾照明、建筑照明、交通指示、 LCD背光等市場，可是更大的市場在于普通照明，而LED還未能打入這個龐 大市場，這是由于現在的LED還不能滿足普通照明的要求造成的。普通照明 需要廉價、大功率的LED產品，可是現在的大功率LED技術還不成熟、大功 率LED制造成本還很昂貴。

提升大功率LED性能的途徑主要有兩方面：1)提高LED器件的外量子效 率，以提高芯片單位面積的出光量；2)加大芯片的面積，提高單顆芯片的出 光總量。目前LED的研究基本都集中在提高LED器件的外量子效率，從外 延、芯片工藝到封裝等方面提出了很多改進的技術措施，如：圖形化藍寶石襯 底技術、非極化面生長技術、氮化鎵自支撐襯底技術、芯片表面粗化和納米圖 形技術、薄膜LED芯片技術、倒裝LED技術等等。這些技術的應用都可以有 效提高LED芯片單位面積的出光量，有利于制造大功率LED器件。可如果不 增加芯片面積，那么單顆芯片的光輸出功率總量還是有限的。在LED器件產 品上，要想獲得更大的功率，就要依靠多芯片封裝來實現，比如，現在市場上 的3W白光LED產品都是由三個1mm²的LED芯片封裝而成。多芯片封裝一 方面會增加封裝的成本，另一方面會制約照明系統的小型化，進而增加照明系 統的成本。因此，為獲得更大功率LED產品，必須增加LED芯片的面積。

在工業生產中，增加芯片面積能起到降低成本的作用，有利于產品的升 級、換代，可是涉及到產品的質量問題，如果不能有效控制芯片的成品率和可 靠性，那么增加芯片面積就變得毫無意義，甚至導致生產成本驟增。目前，在 增加LED芯片面積方面的研究基本沒有報道，僅限于LED生產廠商努力提高 生產工藝質量，減少外延材料缺陷密度、減少芯片制造的廢品率。首先考慮成 品率問題，假設330×330μm²芯片的成品率為95％，那么對于1mm²芯片的成 品率＝0.95¹⁰＝60％，如果芯片面積增加到2mm²，芯片的成品率＝0.95²⁰＝ 36％。反過來看，如果要求1mm²芯片的成品率達到80％以上，2mm²芯片的成 品率達到60％以上，則對應330×330μm²芯片的成品率必須達到98％，這對 于工藝質量控制是非常困難的，工藝成本也會增加很多，所以單純通過工藝質 量控制提高到成品率不是最佳選擇。其次考慮LED芯片的可靠性。半導體器 件的短路、燒毀失效通常是由芯片最薄弱的點產生，然后擴展開造成整個芯片 失效。芯片面積越大，薄弱點就越多，可靠性就自然降低。器件在實際工作過 程中，往往會遇到過激勵和結溫不均勻的情況，芯片的薄弱點就更加容易擊 穿、短路、燒毀而造成器件失效。對于氮化鎵基LED器件，從工藝質量控制 的角度把芯片的薄弱點數量減少到極低是非常困難的。目前，最好的氮化鎵外 延片的位錯密度都在10⁸/cm²以上，這些位錯位置都是潛在的第一失效點。因 而，單純利用工藝質量控制提高大面積芯片可靠性同樣不是最好的方法。

由此可見，要生產高可靠性的大面積、大功率LED器件，除了改進生產 工藝質量以外，還應該在LED光電器件結構設計上進行改進。

發明內容