如何将高功率LED光输出功率提高5倍以上 - 全文

　　β-Ga2O3不仅可用于功率元件，而且还可用于LED芯片、各种传感器元件及摄像元件等，应用范围很广。其中，使用GaN类半导体的LED芯片基板是最被看好的用途。尤其值得一提的是，β-Ga2O3具备适合需要大驱动电流的高功率LED的特性。

　　GaN基LED芯片广泛用于蓝色、紫色及紫外等光线波长较短的LED。其中，蓝色LED芯片是作为白色LED的重要基础部件。GaN基蓝色LED芯片现在是在蓝宝石基板上制造。

　　β-Ga2O3基板与蓝宝石基板相比，紫外光及可见光的透射率同为80％，此外其电阻率为0.005Ωcm左右，具有良好的导电性。

　　透射率越高，就越容易将LED芯片发光层发出的光提取到外部，有望提高光输出功率及发光效率。而且，由于导电性高，因此还可采用在LED芯片表面和背面分别形成阳极和阴极的垂直结构。而蓝宝石基板具有绝缘性，因此采用横向配置阳极和阴极的横向结构。

　　垂直结构与横向结构相比，不仅可以降低元件电阻及热阻，而且还可使电流分布均匀化。由于元件电阻及热阻越小，LED芯片的发热量就越少，因此适合驱动电流较大的情况。

　　垂直结构容易使电流分布均匀化，因此即使流过大电流，LED芯片也不易损坏。此外，电流均匀流过LED芯片，还可减轻发光不均现象。因此，与采用横向结构的普通的蓝宝石基板产品相比，β-Ga2O3 基板单位面积的光输出功率估计可达到10倍以上。

　　SiC基板也可实现垂直结构，但其成本较高。而采用β-Ga2O3的话，则有望以更低成本来制造基板。

　　SiC基板在元件特性方面也存在问题。SiC基板的蓝色光吸收特性与电阻呈此消彼长的关系。抑制蓝色光的吸收，电阻就会变大。所以元件电阻的降低就会存在极限。

　　光输出功率为市售产品的5倍

　　虽然使用β-Ga2O3基板的GaN基LED芯片目前正在开发之中，但已经获得了一定成果。比如，日本信息通信研究机构（NICT）的研究小组试制出了发光波长为450nm的300μm见方的LED元件。该元件在n型Ga2O3基板上，利用MOCVD法，经由缓冲层层叠了n型GaN层、InGaN/GaN的多重量子阱构造的活性层，以及p型GaN层（图A-1）。在基板侧形成了Ti/Au的n型电极，在另一侧形成了Ag类的p型电极。

　　图A-1：在n型Ga2O3基板上制造的GaN基LED芯片

　　在n型Ga2O3基板上经由缓冲层层叠GaN类半导体，由此制造LED芯片。本图是将p层朝下实施封装的示例。

　　该试制品在驱动电流为1200mA时的光输出功率为170mW（图A-2）。与市售的300μm见方横向结构蓝色LED芯片相比，可实现5倍以上的光输出功率。并且，通过改进发光层及光提取构造等，还有望将光输出功率再提高2倍。

　　图A-2：光输出功率高达170mW

　　试制品在驱动电流为1200mA时的光输出功率为170mW。将来通过改进发光层及光提取构造等，还有望将光输出功率再提高2倍。

　　此外，NICT的研究小组还试制出了元件电阻得以降低的使用β-Ga2O3基板LED芯片。芯片尺寸为300μm见方，驱动电流为200mA时工作电压仅为3.3V（图A-3）。该尺寸的横行结构市售产品在驱动电流为200mA时，工作电压高达4.7V。由于工作电压低，因此能够减少以大电流驱动时的发热量。

　　图A-3：工作电压低

　　芯片尺寸为300μm见方，驱动电流为200mA时工作电压仅为3.3V。

　　热阻降至1/10以下

　　另外，此次试制的LED芯片的热阻很低。通过将LED芯片的p层侧朝下实施封装，便可抑制热阻（图A-1）。使用AuSn作为固晶部分的接合金属，而且LED芯片尺寸为1mm见方时，据推算，活性层至接合金属的热阻合计在0.1℃/W以下，仅为同尺寸的横向结构市售产品的1/10～1/100。

　　而且试制的LED芯片的电流分布也很均匀。为了调查其电流分布情况，研究小组检测了1mm见方LED芯片内部的面内温度分布。结果显示，即使元件温度平均上升70℃，面内温度差最大也只有7℃。

　　如上所述，使用β-Ga2O3基板的LED芯片非常适合大电流用途。在将这种基板用于LED产品方面，NICT的研究小组正以2012年度内推出产品为目标，朝着实用化方向推进开发。