从消耗功率来讲，通常把毫瓦级LED称为小功率LED，把瓦级LED称为大功率LED。目前，通常所见的大功率LED分为单芯片大尺寸和多芯片小尺寸组合两种。大功率LED芯片如图2-29所示。大功率LED应用中的四个技术指标是：光强分布、色温分布、热阻及显色性。

图2-29 大功率LED芯片

1）掌握W级大功率LED的光强分布图，是正确使用大功率LED所必需的。

2）大功率LED的色温分布是否均匀，将直接影响照明效果；而且色温与显色指数是互相关联的，色温的改变会引起显色指数的变化。

3）大功率LED的热阻直接影响LED器件的散热，热阻越低，散热越好。热阻高则散热差，器件温升高会影响光的波长漂移。根据经验，温度升高一度，光波长要漂移0.2～0.3nm，这样会直接影响LED的发光质量。温升过高也直接影响W级大功率LED的使用寿命。

4）显色性是白光LED的重要指标，用于照明的白光LED的显色性必须在80以上。

由于大功率白光LED的制造工艺、器件设计、组装技术三方面的进展，LED的发光性能一直在提高，其成本一直在降低。PN结设计、再辐射磷光体和透镜结构都有助于提高效率，因此也有助于提高可获得的光输出。

目前，多数的封装方式已无法满足今天与未来的应用需求，对于大功率白光LED的封装厂商来说，一个主要的挑战来自于热处理课题。这是因为在高热下，晶格会产生振动，进而造成结构上的改变，这将降低发光度，甚至令LED无法使用。

LED的外量子效率取决于外延材料的内量子效率和芯片的取光效率，由于大功率白光LED采用了MOCVD外延生长技术和多量子阱结构，并在精确控制生长和掺杂以及减少缺陷等方面取得突破性进展，其外延片的内量子效率已有很大提高。AlGaInd虽不及AIGaInP，但波长为615nm的AlGaInP的内量子效率已接近极限100%。由于半导体与封装的环氧树脂折射率相差较大，致使内部的全反射临界角很小，有源层产生的光只有小部分被取出，大部分在芯片内部经多次反射而被吸收，这成为大功率白光LED芯片取光效率很低的根本原因。提高取光效率主要有以下几种结构。

1.AlGaInN蓝宝石大功率白光LED芯片倒装结构

为满足光源对高光通量的需求，美国AXT公司将AlGaInN芯片面积由常规的0.325mm×0.375mm增大至1.26mm×1.26mm，制成P2系列大结面积正面出光的大功率白光LED芯片，能够在大电流（350mA）下工作，不同波长450nm、505nm、525nm下的辐射光通量分别为35mW、30mW、27mW，流明效率分别为6lm/W、12.5lm/W、17.5lm/W。尽管对芯片结构进行了优化设计，具有良好的电流扩展和背反射层，但其取光效率仍然受到了很大的限制，其原因是：AlGaInN一般是外延生长在绝缘的蓝宝石衬底上，欧姆接触层的P电极和N电极只能在外延表面的同一侧，正面射出的光将被接触电极吸收和键合引线遮挡。造成光吸收的主要的因素是：P型GaN层电导率较低，为满足电流扩展的要求，覆盖于外延层表面大部分的半透明的NiAu欧姆接触层的厚度应大于500Å。但是，要使光吸收最小，则NiAu欧姆接触层的厚度必须非常薄，这样在透光率和扩展电阻率两者之间则要给以适当的折中，折中设计的结果必定使其功率转换的提高受到了限制。

图2-30 传统的蓝宝石衬底GaN芯片结构

传统的蓝宝石衬底GaN芯片结构如图2-30所示，电极刚好位于芯片的出光面。在这种结构中，小部分P-GaN层和“发光”层被刻蚀，以便与下面的N-GaN层形成电接触。光从最上面的P-GaN层取出。P-GaN层有限的电导率要求在P-GaN层表面再沉淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层由Ni和Au组成，会吸收部分光，从而降低芯片的出光效率。为了减少对发射光的吸收，电流扩展层的厚度应减少到几百纳米。厚度的减少反过来又限制了电流扩散层在P-GaN层表面均匀和可靠地扩散大电流的能力。因此这种P型接触结构制约了LED芯片的工作功率。同时，这种结构的PN结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热路径较长，由于蓝宝石的热导系数较金属低（为35W/m·K），因此，这种结构的LED芯片热阻会较大。此外，这种结构的P电极和引线也会挡住部分光线进入器件封装，所以，这种正装LED芯片的功率、出光效率和热性能均不可能是最优的。

为了克服正装芯片的这些不足，Lumileds Lighting公司发明了倒装芯片结构，如图2-31所示。在这种结构中，光从蓝宝石衬底取出，不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层取光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，增加了芯片的电流密度。同时，这种结构还可以将PN结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底（为145W/m·K），散热效果更优；而且在PN结与P电极之间增加了一个反光层，又消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等方面最优的特性。

图2-31 倒装芯片结构示意图

这种结构是通过透明的蓝宝石衬底取光，这样不仅能避免P型、N型欧姆接触电极吸光和键合引线挡光的影响，而且还可不必考虑NiAu欧姆接触层的透光性将其厚度增至500Å以上，从而改善了注入电流扩展的效果，降低了正向压降；同时还起到了背反射作用，将有源层发出的光经过底部的NiAu层反射，从蓝宝石衬底取出，因此AlGaInN倒装芯片结构使取光效率有了明显提高。其制造过程是：

1）在外延片顶部的P型GaN:Mg淀积厚度大于500Å的NiAu层用于欧姆接触和背反射。

2）采用掩模选择刻蚀掉P型层和多量子阱有源层，露出N型层。

3）淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层，芯片尺寸为1×1mm²，P型欧姆接触区为正方形，P型欧姆接触区以梳状插入其中，这样可缩短电流扩展距离，把扩展电阻降至最小。(www.daowen.com)

4）将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管（ESD）的硅载体上。

5）通过倒装AlGaInN芯片的硅载体与管壳底盘进行电气连接，并将其封装在具有良好光学特性，允许大电流和高温工作的管壳中。

大功率AlGaInN背面出光（倒装芯片）LED结面积为0.7mm²，大功率AlGaInN正面出光LED结面积为0.7mm²，常规型AlGaI-nNLED结面积为0.07mm²，三种器件相比，常规型LED由于具有较小的芯片尺寸，在大电流（150mA）下工作仅几小时就出现明显退化而永久失效，而大功率白光LED即使在1A电流下工作也都未出现功率下降和失效。同时还可以看出背面出光的大功率白光LED比正面出光的具有更高的功率转换效率，在200mA电流下光通量约为16～27lm/W，在1A电流下可达到48lm。为便于对正面出光和背面出光两种大功率白光LED在不同波长下的外量子效率进行比较，两种器件均来自于同一外延片，并采用脉冲方式工作，以避免热阻的影响。在驱动电流为25～1000mA和蓝光到绿光波长的覆盖范围内，背面出光的大功率白光LED比正面出光的外量子效率大1.6倍，具有更高的取光效率。AlGaInN大功率倒装芯片LED在正向电流为200mA、正向电压为2.95V下的外量子效率为21%；正向电流为1A、正向电压为3.3V时光输出功率约为400mW；200mA时的功率转换效率为20%。当热衬温度为55℃、电流密度为50A/cm²时，器件的工作寿命数据为：80只器件连续工作1000h的光输出功率仅下降3%。上述结果表明：AlGaInN大功率倒装芯片（FC）LED的性能是优异的。

2.AlGaInN/碳化硅（SiC）背面出光的大功率白光LED芯片结构

美国Cree公司是采用SiC衬底制造AlGaInN大功率白光LED的全球唯一厂家，近几年来AlGaInN/SiC芯片的结构不断改进，亮度不断提高。由于P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部，单引线键合，兼容性较好，使用方便，因而这成为AlGaInNLED发展的另一主流。AlGaInN/SiC有正面出光和背面出光两种结构，芯片尺寸为0.3mm×0.3mm。由于背面出光结构芯片的内部反射光可通过背面的反射层有效地从正面取出，因而亮度比正面出光结构提高50%，紫外（395～405nm）芯片的外量子效率约为25%。该公司推出的XBTM系列背面出光的大功率白光LED芯片，尺寸为0.9mm×0.9mm，顶部引线键合垫（直径为122μm）处于中央位置，“米”字形电极（宽度为30μm）使注入电流能够较为均匀的扩展，底部采用AuSn合金将芯片倒装焊接在管壳底盘上，具有较低的热阻。工作电流为400mA时波长405nm和470nm的输出光功率分别为250mW和150mW。由于SiC不仅导电而且具有良好的导热性能，适宜做成耐高温的大功率器件，因此AlGaInN/SC背面出光的大功率白光LED在未来的照明变革中将是一种非常有竞争力的固体光源。

3.AlGaInP大功率（TS）LED

自从AlGaInP大功率白光LED问世以来，各厂家都一直在通过采用新型芯片结构来提高AlGalnP芯片的取光效率，这些结构包括：一次外延较厚窗口层和布拉格反射层，二次外延生长厚窗口层和电流阻挡层。这些结构采用晶片键合以透明的GaP衬底（TS）取代吸光的Gas衬底（AS）等。它们对LED芯片的取光效率都有不同程度的提高，其中效果最佳者应属美国HP公司所独有的二次外延厚窗口层（60μm）和晶片键合的透明衬底（TS）结构，小结面积（0.3mm²）的常规LED芯片，其光通量为吸收衬底（AS）的2～3倍，流明效率一般超过50lm/W，波长为611nm时可达10lm/W，波长在590～611nm之间的外量子效率一般为15%，652nm时可达55%，SMM封装的光通量一般为5～10lm。为提高其光通量，研发出了大功率大结面积（0.5mm²）的透明衬底（TS）芯片，尽管大芯片会对侧面出光带来不利影响，从而使外量子效率有所降低，但其发光通量却为TS小结面积的5倍。TS倒梯形结构的大功率大结面积芯片，在590～640nm的波长范围、直流工作电流为500mA的光通量大于60lm，大约相当于100～350mW的光功率。这种芯片的电流密度均为40mA/cm²，以脉冲方式工作时则可达到140lm。其发光效率虽然超过了60W的白炽灯（大于15lm/W），但由于常规环氧封装具有较大的热阻，即使作为低光通量光源应用也受到了限制。

HP公司以非常规的LED设计理念和独有的晶片键合技术最先推出了AlGaInP大功率（TS）LED，其芯片结构及封装示意图如图2-32所示。芯片尺寸为0.375mm×4.5mm，芯片首先倒装在铜载体上，然后再将装有芯片的载体固定在TO-66管壳上，最后用环氧封装。工作时将已封装的管壳固定在大面积的热衬（散热片）上，用来改善封装的热性能。该器件的P-I输出特性曲线如图2-33所示，光输出功率在直流工作时可达到80lm（265mW），以脉冲1s脉宽、0.1%占空比方式工作时则可达到195lm（约为475mW）。

图2-32 AlGaInP功率型（TS）LED芯片结构及封装示意图

4.InGaAlP（AS）纹理表面结构的大功率白光LED芯片

采用晶片键合技术的AlGaInP（TS）LED性能虽好，但因其技术复杂，生产成本高而难于广泛使用，为解决这一问题，进一步提高大功率AlGaInP-LED的市场潜力，必须做到发光效率高，生产成本低。按照这一理念，德国Osram公司研制出InGaAIP-LED芯片，采用最新设计将芯片窗口层表面腐蚀成能够提高取光效率的纹理结构，如图2-34所示。芯片表面纹理的基本单元为具有斜面的三角形结构。

图2-33 AlGaInP大功率（TS）LED的P-I输出特性曲线

图2-34 InGaAIP（AS）纹理表面高效取光结构的功率型LED芯片

图2-35所示为InGaAIP（AS）纹理表面的取光模式图，实线为纹理表面的整体结构，虚线表示外延层的平面窗口层。图2-35a通过表面侧壁直接取光，图2-35b经过侧壁反射改变临界角后从另一侧壁取光。

光子的反射路线被封闭在这样的结构之中，使有源层发出的光子能够更有效地被取出，通过不同的表面直接射出，经多次反射后通过改变入射角再射出。欧姆接触电极位于取光结构注入电流的部位，这样可使注入电流更有效的扩展到有源区。外延片的布拉格反射层被设计成具有较宽的反射角度，以使芯片背反射的大部分被覆盖。采用这种纹理表面结构的InGaAIP（AS）-LED芯片可以获得大于50%的外量子效率，芯片封装后的功率转换效率超过30lm/W，是常规InGaAIP（AS）-LED的2倍，与采用晶片键合技术的透明衬底（TS）LED性能相当。

纹理表面结构对光束角特性没有影响，不仅可取代常规的方形芯片，而且还可以很容易按比例放大成为大功率的大尺寸芯片。这种芯片可在4英寸GaAs衬底上通过MOCVD^一次外延直接生长成高内量子效率的外延片，并可采用常规的芯片制造技术进行大规模生产。而晶片键合透明衬底的InGaAIP（TS）LED由于技术复杂只能采用3英寸的GaAs衬底，因此在降低生产成本和实现产业化规模生产方面，纹理表面高效取光结构的InGaAIP（AS）-LED具有广阔的发展前景。

图2-35 InGaAIP（AS）纹理表面的取光模式图