高壓發光二極體(HV LED)基本結構及關鍵技術

　　晶元光電于全球率先提出了高壓發光二極體(HV LED)作為高功率LED的解決方案;其基本架構和AC LED相同，乃是將晶片面積分割成多個cell之后串聯而成。其特色在于，晶片能夠依照不同輸入之電壓的需求而決定其cell數量與大小等，等同于做到客製化的服務。由于可以針對每顆cell加以優化，因此能夠得到較佳的電流分布，進而提高發光效率。

　　高壓發光二極體和一般低壓二極體在技術上最主要的差異有叁，第一為溝槽(Trench)。溝槽的目的在于將復數顆的晶胞獨立開來，因此其溝槽下方需要達到絕緣的基板，其深度依不同的外延結構而異，一般約在4~8um，溝槽寬度方面則無一定的限制，但是溝槽太寬代表著有效發光區域的減少，將影響HV LED的發光效率表現，因此需要開發高深寬比的製程技術，縮小製程線寬以增加發光效率。

　　第二為絕緣層(Isolation)，若絕緣層不具備良好的絕緣特性，將使整個設計失敗，其困難點在于必須在高深寬比的溝槽上披覆包覆性良好、膜質緊密及絕緣性佳的膜層，這也是單晶AC LED製程上的關鍵。

　　第三個是晶片間的互連導線(Interconnect)。一般而言，要做到良好的連結，導線在跨接時需要一個相對平坦的表面，一個深邃的階梯狀結構將使得導線結構薄弱，在高電壓、高電流驅動下易產生毀損，造成晶片的失效，因此平坦化製程的開發就變得重要。理想的狀態是在做絕緣層時，能一併將深邃的溝槽予以平坦化，使互連導線得以平順連接。

　　此外，高壓發光二極體在應用上和一般低壓二極體最主要的不同點為，它不僅僅能夠應用于定直流 (Constant DC)中，只要外接橋式整流器，它也能夠應用于交流環境，非常具有彈性。在高壓發光二極體中，外部整流器捨棄AC LED採用同質氮化鎵的做法而改採用硅整流器，不僅使得耗能少，更可防止逆向偏壓過大對晶片所造成的影響;最后，因為高壓發光二極體較AC LED少了內部橋整的發光區，使發光效率相對較高，耐用度也較佳。

　　作為大尺寸、高功率LED的解決方案

　　高壓發光二極體的效率優于一般傳統低壓發光二極體，主要可歸因為小電流、多cell的設計能均勻地將電流擴散開來，進而提升光萃取效率。在一些應用當中，除了需要考慮晶片本身效率外，最終產品的售價也是一項重要指標;例如在當前照明領域中，LED燈源仍不被視為主流性產品，關鍵點在于其售價仍舊偏高。LED燈源價格高昂的塬因，除了晶片本身的價格之外，尚需要考慮整體的物料清單(Bill of material;BOM)，例如由于發光二極體本質上為一具有極性的元件，必須供給一順向偏壓才得以點亮，因此一般LED照明光源內都必須附加交流轉直流(AC/DC)的電源轉換系統，這是必須付出的成本。

　　又因LED本身體積小，熱源容易集中，而造成所謂熱點(Hot spot)現象，使得發光元件本身壽命變短。為了解決熱點的問題，LED燈源上的散熱設計也不可缺少，目前散熱設計方面以金屬散熱片最為常見，但金屬散熱片除了增加燈源的重量，也增加燈源的成本。由于高壓發光二極體本身效率高，會減少廢熱及對散熱的需求，進而削減成本;從電源轉換的角度而言，高電壓小瓦數的電源轉換器如返馳拓僕式電路，除了體積小外，因為採用的元件少，成本也較低。因此，高壓發光二極體的優點不僅在于晶片本身，它能直接或間接進一步提升整體模組的效率。

　　總括而言，在應用及設計上，單晶片的高壓發光二極體有下列好處：

　　Ⅰ、節省變壓器能量轉換的損耗及降低成本。

　　Ⅱ、除了高電壓直流的應用外，利用外部橋式整流電路也可設計于交流下操作。

　　Ⅲ、體積小不佔空間，對封裝及光學設計都具有極佳的運用彈性。

　　Ⅳ、除了紅色螢光粉外，也可以運用藍、紅HV LED搭配適當的黃、綠色螢光粉製成更高效率的高CRI暖白LED。

　　目前在晶元光電中，會首先依據客戶的各項參數需求，做設計準則的基本檢查;進一步根據相關的光、電及熱模型執行模擬，決定單位晶胞的大小、數目及最終產品呈現形式后，再加以實踐驗證;并根據實踐所收集到的資料，驗證塬始設計，或是加以修改達到優化的結果。目前晶元光電研發中心已經著手進行高壓發光二極體相關模擬光、電及熱模型的建立。