擺脫電源損耗宿命：HV LED點亮高效率光源

　　目前廣泛使用的直流發(fā)光二極管（DC LED），若要經(jīng)由市電供電，須外加交流對直流（AC-DC）整流器，易造成額外物料成本及能源轉換損失，因此產(chǎn)業(yè)界已發(fā)展出以交流電直接驅動的高壓LED（HV LED），可大幅提升LED照明系統(tǒng)的能源利用率和發(fā)光效率。

　　在傳統(tǒng)照明光源中，發(fā)光效率最好的是日光燈，其光源本身的發(fā)光效率約65lm/W。用于鎮(zhèn)流器的附加電路會造成13-20%的能源損耗，光源發(fā)光經(jīng)過燈具的反射罩，其光源效率損耗約30-40%，因此在實際的照明應用環(huán)境下，日光燈的燈具照明發(fā)光效率約35lm/W。雖然光源自身發(fā)光效率高，但附加電路和燈具結構所造成的光損失，將會大幅降低燈源的發(fā)光效率。

　　目前已大幅應用在照明光源的高功率白光直流發(fā)光二極管（DC LED）（表1），其光源發(fā)光效率可達150lm/W。但DC LED是以直流電源驅動操作，若要使用在市電上，勢必要外加交流對直流（AC-DC）整流器，電源轉換將會造成20-30%的能源損耗，且驅動電路之體積也較為龐大，燈具設計彈性相對會受到限制。

　　***自主性研發(fā)的高壓（HV）LED技術產(chǎn)品，僅需簡易的外加驅動電路，即可直接以市電110伏特（V）/220V驅動操作，并具備90%高功率因數(shù) （PF）、95%高能源利用率、高發(fā)光效率等優(yōu)點。目前已于國際上取得發(fā)展先機，國內(nèi)廠商晶元光電已陸續(xù)將HV LED晶粒產(chǎn)品出貨給國外各家LED封裝及應用大廠使用，國內(nèi)也有多家相關廠商投入HV LED照明光源產(chǎn)品的開發(fā)，是為未來照明光源主流趨勢。

　　迥異DC LED 驅動方式　HV LED特性和設計大相逕庭

　　高壓LED是以半導體制程方式，將多顆微晶粒置于同一基板上，再加以串接而成，其所需之制程技術與傳統(tǒng)LED十分近似。然而，由于驅動方式的不同，特別是在交流電驅動條件下，高壓LED的特性和設計方向與傳統(tǒng)LED有顯著差異。

　　圖1為高壓LED芯片結構示意圖。多顆制作于同一基板的微晶粒間以金屬導線連結串接，而高壓驅動電流則經(jīng)由末端的兩個打線墊片進入微晶粒串。由圖2的微晶粒結構側視圖中，則可發(fā)現(xiàn)單顆微晶粒的結構與傳統(tǒng)LED間主要的差異，僅在于尺寸的不同，其他包括透明導電層、表面粗糙化、圖案化藍寶石基板等可提升傳統(tǒng) LED效率的技術，也同樣適用于高壓LED。

　　圖1　高壓LED結構上視圖

　　圖2　成長于藍寶石基板的GaN微晶粒側視結構圖

　　高壓LED與傳統(tǒng)LED芯片兩者在制程上的主要差異點在于絕緣基板的使用、絕緣溝槽的蝕刻及金屬導線的制作。高壓LED的核心概念是將制作于同一基板的多顆微晶粒加以串接而成，因此使用絕緣基板確保微晶粒間的電性絕緣是高壓LED得以正常操作的基本條件。對于以氮化鎵（GaN）材料所成長的LED而言，由于所使用的藍寶石基板具備極佳絕緣特性，因此只要將微晶粒間的溝槽蝕刻至基板裸露，即可達到良好的電性絕緣。

　　此外，由圖3中可發(fā)現(xiàn)，雖然微晶粒間的絕緣溝槽是讓高壓LED得以正確運作的必要結構，但卻也使得高壓LED芯片整體的可發(fā)光面積縮減。雖然在概念上，越細窄的絕緣溝槽可增加高壓LED芯片的可發(fā)光面積，但相對也會提升制程的困難度。

　　圖3　高壓LED芯片SEM照片

　　絕緣溝槽的側壁須使用介電材料被覆保護，以避免金屬導線通過表面時，P-N材料間發(fā)生短路情況。但當絕緣溝槽過于細窄時，無論使用化學氣相沉積或蒸鍍方式制作介電材料薄膜，均可能發(fā)生被覆不完全的情況，并導致微晶粒的P-N材料短路失效。同樣地，過于細窄的絕緣溝槽也會使得金屬蒸氣不易進入，造成金屬導線薄膜的厚度過薄或甚至不連續(xù)，進而導致高壓LED芯片的串聯(lián)電阻增加，或甚至有開路失效情況發(fā)生。

　　為提升介電材料與導線金屬薄膜的制程良率，將絕緣溝槽制作成為開口向上的倒梯形結構是一可行方式。圖4中所顯示的傾斜側壁結構除可提升微晶粒與高壓LED 的制程良率外，非矩形的幾何結構對微晶粒的光取出效率提升亦有幫助。此外，為避免金屬遮蔽降低高壓LED發(fā)光效率，鋪設于微晶粒間的金屬導線必須同時具備低阻抗與低光線遮蔽之特性。制作細且厚的金屬導線是達成上述目標的方法之一，而使用透明金屬氧化物，如氧化銦錫（ITO）或氧化鋅（ZnO）等，做為導線材料亦是可行手段，兩者均有助提升高壓LED發(fā)光效率。