摘要：LED作为一种节能环保的固态半导体光源，已经越来越得到各国政府的重视，优异的性能使其在照明领域扮演着越来越重要的角色。大功率LED是目前应用最广泛的，但是传统大功率LED需大电流驱动，导致器件出现严重的热耗，光出射效率低，Droop效应严重，电流扩展差。以上这些现象都会导致器件严重老化甚至烧毁。同时，大电流驱动对于散热铝壳要求比较严格，导致照明灯具成本居高不下，限制了LED的照明普及。为了解决大电流驱动带来的问题，人们提出了高压LED的概念。简单而言，高压LED就是把一个芯片的外延层分割成数个独立的芯粒单元，并通过电极互连而构成的新型LED芯片。由于使用的是低电流驱动，高压LED器件具有更高的可靠性，同时又简化了匹配电源，可使用具有更少电子元器件的驱动电源，减小了电源中元器件之间能量转换的损失。
关键词：高压LED;热分析;热阻;
运用有限元分析软件ANSYS对LED关键结构部位进行参数化建模及热分布模拟，得到其稳态的温度场分布;然后经过与红外热像仪成像图对比，得出电极烧毁的原因在于芯粒连接处的电极过薄过窄而导致的电阻过大，为后续设计更可靠的高压LED提供了参考。
1 高压LED样品的制备
LED的外延片通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统生长在蓝宝石衬底上。其结构包含一个非掺杂的GaN缓冲层，一个硅掺杂的N型GaN层，InGaN/GaN多量子阱结构，一个Mg掺杂P型AlGaN电子阻挡层，一个Mg掺杂的P型GaN层。为了达到很好的隔离效果，我们通过ICP刻蚀出了一个深度达到5.5μm的深沟。接着通过PECVD系统在表面镀上一层450 nm厚的SiO2作为绝缘层，随后蒸发一层240 nm厚度的铟锡氧化物(ITO)作为电流传输透光层，经过退火处理后再通过蒸镀电极连接16个芯粒。最后的电极互连如图1所示，整个芯片平面尺寸为1.1mm×1.1 mm。
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图1电极互连图
白光LED灯珠的封装流程如图2所示。对于蓝光LED灯珠，由于不需要在芯片上点荧光粉，所以配粉和点胶两道工序可以省去。
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图2封装流程图
2 结果与讨论
2.1 高压LED芯片表面热分布测试及分析。高压LED芯片制备完成后在探针下的点亮，可以看出发光分布比较均匀。经测试对比发现，器件的驱动电压达到了48 V(I=20mA)，单颗电压仅为3．0 V，表明欧姆接触比较理想。将裸芯片在探针台下进行10 A大电流冲击后，显微镜下观察发现芯片烧毁，晶粒之间的沟道连接处的电极已经完全烧断，。图为高压LED沟槽区的扫描电子显微镜照片，
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图3器件沟槽区的扫描电子显微镜(SEM)照片
可以清晰地看到沟槽处的电极以及SiO2钝化层的分布。采用ANSYS软件模拟高压LED的一组相邻晶粒的深沟槽三维热稳态分布。有限元分析一般用两种方法来进行模拟:精确模型和简化模型。为了提高速度和计算的精确性，本文选择简化模型。简化模拟结构包括5个部分:芯片结构、SiO2钝化层、金属电极结构、蓝宝石衬底和铜热沉。简化的参数如下:芯片深沟槽的区域面积450μm×450μm;蓝宝石厚度200μm;Cu热沉的尺寸20 mm×20 mm×1．7 mm;SiO2的厚度300nm;Au的厚度300 nm。环境温度设为25℃，空气对流换热系数设为10 W/(m2·℃)。生成热HG可以通过公式进行计算:
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其中PD为散热功率，V为有效外延层体积。为了使计算精确度更高，简化结构将量子阱设为唯一的热源。整个结构中有源区温度最高，深沟槽部分的温度没有呈现明显的聚集性，比有源区的温度还要低些。为了将模拟结果与实际的热分布进行对比，我们将高压LED裸芯放置于FLIＲ公司的具有显微放大功能的S5700型红外热像仪上，并通一5mA小电流，观察其稳态情况下的表面热分布情况，越靠近主电极(压焊电极)，连接的电极温度就越高，且深沟槽及其附近区域的温度高于芯片表面其他部位，有源层表面温度低于沟槽附近的温度。沟槽附近呈现的高温分布可能是由于沟槽及其附近表面覆盖的SiO2钝化层使电极产生的热难以散发而导致;而有源区上面没有覆盖SiO2钝化层，并且沟道深处及电极周围覆盖了SiO2，其导热系数很低，所以热量多聚集在其所覆盖的沟槽处而难以散发出去。因此，为了得到可靠性更高的高压LED，一方面应该使用导热系数更高的钝化层材料;另一方面还要优化电极图形，将沟槽连接处的电极做宽做厚以获得更低的电阻。
2.2 高压LED热阻比较测试及分析。热阻Ｒφ是导热介质两端的温度差与通过热流功率的比。通常将两个节点间单位热功率输运所产生的温度差定义为该两个节点间的热阻，其数学表达式为:
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其中ΔT为节点之间的温差，P为两节点间的热功率流。热阻值越大，散热能力越差;反之，散热能力越强。LED的热阻使用北京工业大学半导体可靠性实验室自主研发的半导体器件热特性测试仪测试，用于测试的白光和蓝光高压LED采用完全相同的封装形式。样品在相同的条件下进行测试，这样就排除了其他散热条件可能带来的温升。图4为测试得到的白光、蓝光高压LED灯珠以及1 W大功率LED灯珠的热阻。从图中可见，未涂抹荧光粉的蓝光LED的热阻要小于白光LED，蓝光LED热阻为12．5℃/W，白光LED为17．2℃/W。其原因是白光LED芯片上涂覆了荧光粉，更不易于散热;而且蓝光激发荧光粉发出黄光时有能量损失，损失的能量以热的形式散发出去。
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图4白光、蓝光高压LED灯珠以及1 W大功率LED灯珠的热阻
同时，我们将两种HV LED灯珠的热阻与1W大功率灯珠的热阻进行了比较，该1 W大功率灯珠与高压LED采用相同的封装工艺。从图4发现，高压LED的热阻要大于1 W的热阻，1 W大功率灯珠的热阻为12．4℃/W，高压白光LED灯珠的热阻要比1 W白光LED灯珠大4．8℃/W，而高压蓝光LED灯珠的热阻与1 W白光LED灯珠基本相当。这可能与高压LED的众多互联的电极以及深沟槽有关。
3 结论
设计并制备了51 V(I=20 mA)高压LED，并对51 V高压LED进行大电流冲击，通过ANSYS有限元分析软件仿真其深沟结构及附近热分布，假定有源区作为唯一热源模拟得到其3D热分布图像，并通过红外热像仪成像系统观察芯片实际表面热分布，发现沟槽附近的温度最高，晶粒间电极在深沟连接处热分布温度明显高于电极其他部位，与理论模拟进行对比分析得出大电流冲击芯片电极烧毁的原因在于芯片连接处的电极过窄过薄导致电阻过大，且周围SiO2钝化层导热系数较低，不能良好传导热量导致深沟附近热大量聚集，这为后续的高压LED的优化设计提供了很好的参考依据。同时，分别将高压LED封装成白光和蓝光，又与1 W常规大功率LED进行对比。
总之，测试结果表明:高压涂覆荧光粉的白光灯珠的热阻明显大于没有涂覆荧光粉的灯珠，高压白光LED的热阻要比1 W常规大功率LED的热阻要大，表面高压LED散热可能没有常规大功率LED好，这可能也与其具有深沟槽及众多互联的电极结构有关。
参考文献：
［1］张红艳．具有侧面柱状结构的高压LED芯片制备分析.2018.
［2］王芳，浅谈具有侧面柱状结构的高压LED芯片制备.2018.