GaN LED被廣泛的應用在手機鍵盤、背光元件、照相機閃光燈、全色戶外顯示等領域，但是，它們的輸出功率還不足以引人注目地滲入固態(tài)照明市場。這首先是因為LED相關的不良熱處理特性以及不能在高亮度輻射所需要的高注入電流狀態(tài)下正常工作。

采用金屬合金襯底技術，SemiLEDs面積僅1mm2的GaN LED能產(chǎn)生80lm/W的全彩輸出。由于n-GaN層增強的電流傳播模式，光輻射模式非常一致。

不過，按照SemiLEDs公司最先提出的方法，通過將GaN LED生長在電導和熱導性襯底上，這一問題得以解決。我們生長在金屬襯底上的垂直LED(VLEDMS)使用了低成本大規(guī)模的生長過程，利用一種新型垂直設計，以金屬合金襯底為主要特征。這些輻射器給出了傳統(tǒng)和倒裝LED設計所沒有(圖1)的許多優(yōu)點，能夠在350mA的驅(qū)動電流下提供75lm/W的發(fā)光效率，這也是迄今為止的最高輸出功效之一。

SemiLEDs有超過20項倍受保護的專利技術，并用來設計、開發(fā)、制造和出售高亮度的LED。公司總部在美國硅谷的Milpitas，在臺灣Hsinchu Science Park也有分部。

藍寶石的缺點

源于生長在藍寶石襯底上滋生的不良熱性能和電學性能，這影響了傳統(tǒng)的GaN LED的發(fā)光效率。藍寶石的熱導率僅僅只有35W/mK，這限制了LED的工作電流。而材料也是一種絕緣體，n型接觸無法附著在襯底的背面，只能成形在n型層的頂部。這意味著有源層必須從芯片上刻蝕，這將使輻射強度減弱20-30%。在其頂部一側(cè)擁有兩種接觸的LED也會導致電流經(jīng)過n型GaN層傳輸，這將會造成電流擁堵以及更高的動態(tài)阻抗從而提高器件溫度。

傳統(tǒng)的GaN LED還會由于在p型GaN層中的低電流分布而遭遇不均勻光輻射。這個缺點能夠通過半透明接觸層或者器件橫向電流的交叉電極陣列而得到克服。但是，半透明層也會吸收掉一些芯片的輻射從而降低輸出功率。

通過使用垂直結(jié)構(gòu)和在器件的背面使用n型和p型電極的金屬合金襯底(c)，SemiLEDs解決了幾個限制傳統(tǒng)晶片(a)和倒裝晶片(b)LED性能的問題，比如電流擁堵和器件發(fā)熱等。

正是這些缺點使得最主要的LED制造商比如Lumileds轉(zhuǎn)而使用倒裝晶片結(jié)構(gòu)的設計。但是，為了形成n型接觸，這種方法仍然需要從p-GaN和激活層刻蝕材料，這再次減小了輻射范圍。電流從陽極傳到陰極仍然沿著n-GaN層，這意味著電流擁堵和更高的動態(tài)阻抗問題仍然不可避免。

相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，倒裝晶片LED的一個好處就是提高了散熱能力，并且產(chǎn)生更高的抽取效率，這部分歸因于有圖案的或者起紋理的藍寶石表面，但是這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生非常復雜。

在所有被用來制造GaN LED的常用襯底中，藍寶石的熱導率最低。如果說Cree采用SiC襯底是一個創(chuàng)舉，SemiLEDs采用金屬合金襯底更加可取。

SemiLEDs的VLEDMS方法克服了許多制約傳統(tǒng)和倒裝晶片LED性能的缺點。例如，這種方法不需要刻蝕任何材料來形成n型電極，相對于同等尺寸生長在藍寶石襯底上的LED，這將會增強輻射能力。同時，由于電流是在垂直方向上經(jīng)過器件，電流擁堵也可以避免，動態(tài)阻抗也明顯減弱。

免除藍寶石襯底的優(yōu)勢

我們的芯片結(jié)構(gòu)也提高了器件中的電流分布。芯片可以在不降低性能的前提下?lián)碛休^大的尺寸，并避開對減弱輸出效率的半透明傳導層的需要。

除此之外，由于銅合金襯底有更高的熱導率，我們的VL DMS結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的和倒裝晶片結(jié)構(gòu)的LED更具有效的散熱性，這提高了它們的最大工作電流和輸出功率，使得LED更加適于固態(tài)照明設備應用。

我們所制作的VLEDMS結(jié)構(gòu)顯示，該LED芯片的面積僅1mm2，擁有藍光、綠光和紫外三種顏色。通過使用外延沉積技術我們正在申請中的專利技術這些LED沿著一個新的結(jié)構(gòu)生長在藍寶石襯底上，該結(jié)構(gòu)能夠使藍寶石剝離。當LED在金屬合金襯底上成形之后，n-GaN表面就形成圖案來減小由于全內(nèi)反射造成的損失。

SemiLEDs的垂直結(jié)構(gòu)LED包含一個直接沉積在金屬合金襯底上的鏡子、0.2μm厚的p-GaN/p-AlGaN層，一個InGaN/GaN多層量子阱激活區(qū)以及一個4μm厚的n-GaN層。

相比于傳統(tǒng)的LED，VLEDMS擁有非常好的電流-電壓(I-V)特性，即在350mA的驅(qū)動電流下，正向電壓將產(chǎn)生一個0.2伏的衰減。由于采用了垂直電流路徑以及具備了更大的p-GaN接觸面積，這些LED的動態(tài)阻抗是0.7Ω，相比于傳統(tǒng)的長在藍寶石襯底上的GaN LED，其動態(tài)阻抗是1.1歐姆。這些優(yōu)勢提高了VLEDMS的輸出效率，使其勝于傳統(tǒng)的設計。

在較高的注入電流下，LED亮度的增強是特別有意義的。傳統(tǒng)輻射器的輸出在1000mA左右達到峰值，由于非常差的熱分散能力導致器件退化，然后隨著電流增加而迅速下降。

SemiLEDs LED產(chǎn)生了高于基于藍寶石襯底的GaN LED的輸出功率，特別是在驅(qū)動電流高于1000mA時。

與之相反，金屬合金襯底具有優(yōu)良的熱導性，在通以3000mA或更高的電流條件下，VLEDMS仍不會產(chǎn)生光輸出功率飽和現(xiàn)象。

性能和尺寸無關

通過制造一系列不同尺寸的芯片來測量它們在單位面積上的輸出，我們示范了VLEDMS極好的比例特性。傳統(tǒng)基于藍寶石襯底的LED，其功效在大尺寸芯片上會顯著下降，相反這個問題不會影響到VLEDMS的性能。

SemiLEDs的垂直LED能夠達到更大的尺寸而不會降低性能，因而成為固態(tài)照明設備的最佳選擇。功率以350μm大小的芯片為標準。

給出了在1mm2 VLED-MS芯片上的可靠性測試結(jié)果。測試條件包括：芯片采用硅樹脂填充劑并貼裝到一塊熱沉上進行封裝;驅(qū)動電流分別350mA和700mA，周圍環(huán)境溫度在65℃以下，結(jié)溫最大可達120℃。測試結(jié)果表明，VLEDMS芯片產(chǎn)生的光輸出可等同于一個發(fā)光效率大于75lm/W的白光LED，并且在很長時間內(nèi)才略有下降，在測試進行2000小時之后該變化保持在10%以內(nèi)。在室溫下(大多數(shù)器件的工作環(huán)境溫度)，我們沒有發(fā)現(xiàn)光輸出的退化現(xiàn)象。

這證明了器件的可靠性，結(jié)合極好的散熱性能以及典型的75lm/W甚至更多的發(fā)光效率，更清晰地闡明了這些器件勝于傳統(tǒng)LED的優(yōu)勢。目前該款LED已經(jīng)正在大量生產(chǎn)，每流明100美元以上，為固態(tài)照明市場提供一個絕佳的選擇。

這些可靠性測試證明了SemiLEDs器件的長期可靠性。測試是在一個封閉且工作溫度穩(wěn)定的環(huán)境中進行。