LED 芯片水平、倒装与垂直架构及电流路径
LED Horizontal, Flip-Chip and Vertical Architectures with Current Paths（Lateral / Flip-Chip / Vertical LED）也称 水平结构LED、倒装LED、垂直LED、电流扩展、芯片转移基板、三维通孔电极
LED芯片架构通过P/N电极位置、衬底方向、反射面和转移基板重新安排电流、光与热的路径，各路线都是遮光、扩展、散热、工艺与良率的折中。
速览
约 1 分钟水平结构把P/N电极放在同一侧，制造直接但电流横向传输且金属遮光；倒装把出光面翻离焊盘并连接散热基板；垂直结构去除或替换原衬底，使电流穿过芯片厚度。架构名称不自动保证均流、低热阻或高效率。
系统理解
约 2 分钟水平结构通常在p-GaN上形成透明扩展层和P电极，通过台面刻蚀暴露n-GaN形成N电极。电流需横向跨越高片阻p层，接触附近容易拥挤；顶面金属与透明层又会吸光。版图必须联合优化指栅间距、片阻、接触电阻和有源发光面积。
倒装结构把电极侧朝向载板，背面或衬底侧成为出光方向，并可在P侧加入金属反射镜。焊接、凸点或金属堆栈建立短热路径，但界面空洞、热膨胀失配、对准、绝缘和反射层稳定性进入可靠性预算。
垂直结构使P/N电极位于相对两面，电流更多沿厚度方向通过，常需晶圆键合、激光剥离或衬底去除、临时支撑、减薄和背面接触。它可改善大面积均流和热连接，却增加转移、翘曲、残余应力、表面损伤和良率风险。
三维通孔或分布式电极可缩短横向路径、释放发光面积并改善焊盘均匀性，但深孔刻蚀、绝缘覆盖、接触孔、双层金属与隔离槽形成新的寄生、短路和应力边界。结构比较必须在相同芯片面积、电流密度、结温、封装和测光条件下联合I-V、空间EL、光功率、EQE与热阻。
承接LED外延与量子阱，向后连接透明接触、反射结构、侧壁钝化、切割封装和可靠性。
公式提示
关键参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| p/n层片阻、接触电阻率与指栅间距 | Ω/□ / Ω·cm² / µm | 控制横向压降与电流拥挤 |
| 芯片厚度、有源面积与电极遮光率 | µm / mm² / % | 连接电流路径和出光面积 |
| 键合/凸点空洞、剪切与热阻 | % / N / K·W⁻¹ | 定义倒装热机械边界 |
| 通孔深宽比、绝缘覆盖与互连电阻 | 1 / nm / Ω | 限定三维电极制造窗口 |
| 空间EL、结温、光功率与EQE | % / °C / mW / % | 验证电光热后果 |
常见误区
- 认为倒装只改变芯片朝向
- 认为垂直结构必然均流且热阻最低
- 把较低正向电压自动归因接触更好
- 忽略电极遮光与有源面积损失
- 由单颗光功率曲线判断量产路线优越
工程深入
12 条结论 · 1 道例题水平结构
倒装结构
垂直结构
三维通孔
电流拥挤
遮光面积
热路径
制造顺序
接触与结构
比较基准
验证闭环
横向压降算例
五十欧每方薄层上长宽比二且流过二十毫安时条带压降估计二伏
条带模型仅暴露横向片阻风险，不代表真实LED二维电位分布。12
R=Rsh·L/W=100 Ω；ΔV=IR=0.02×100=2.0 V
- Rsh
- 薄层片阻，单位 Ω/□
- L/W
- 导电条带长宽比，单位 1
- I
- 条带电流，单位 A
- ΔV
- 端到端压降，单位 V
成立条件 Rsh=50 Ω/□；L/W=2；I=20 mA；均匀矩形条带
例题：动手算一次教学假设，可复算
Rsh=50 Ω/□、L/W=2、I=20 mA时条带压降是多少？
已知
- Rsh=50 Ω/□
- L/W=2
- I=0.02 A
步骤
- R=Rsh·L/W=100 Ω，由方块数换算条带电阻。
- ΔV=IR=2.0 V，按欧姆定律求端到端压降。
高片阻与长横向路径会严重破坏等势注入。
不能外推到 真实LED为二维分布网络，含接触电阻、结非线性、分布注入、电极分流、自热和电流回流，2.0 V不能直接当器件额外正向压降。
出处
3 份资料 · 4 处引用- 1
微纳制造与半导体器件
- 第 10 章 §§10.3.1–10.3.3，第 185–189 页 支持：水平LED的P/N电极位于外延片同侧并依赖横向电流扩展；倒装把电极侧朝向载板并让另一侧承担主要出光；垂直LED把P/N电极放在器件相对两面；片阻与电极间距共同造成二维电位梯度和局部高电流密度；缩小金属遮光不保证输出持续增加；架构改变芯片到载板的热路径但封装界面仍决定实际热阻；衬底去除、键合、减薄和背面金属具有不可随意交换的依赖；较低正向电压不能单独证明架构或接触更优；水平、倒装和垂直结构不存在脱离产品条件的统一排名；五十欧每方薄层上长宽比二且流过二十毫安时条带压降估计二伏
- 第 10 章 §10.3.9，第 203–208 页 支持：分布式三维通孔可缩短横向路径并释放部分发光面积；架构验证需把I-V、空间EL、光功率、EQE和热阻放在同一电流条件
- 2
2022 Solid-State Lighting R&D Opportunities
- DOE report 第 3 章，LED package and die architectures, current spreading, flip-chip and vertical structures 支持：水平LED的P/N电极位于外延片同侧并依赖横向电流扩展；倒装把电极侧朝向载板并让另一侧承担主要出光；垂直LED把P/N电极放在器件相对两面；片阻与电极间距共同造成二维电位梯度和局部高电流密度；缩小金属遮光不保证输出持续增加；架构改变芯片到载板的热路径但封装界面仍决定实际热阻；衬底去除、键合、减薄和背面金属具有不可随意交换的依赖；水平、倒装和垂直结构不存在脱离产品条件的统一排名；架构验证需把I-V、空间EL、光功率、EQE和热阻放在同一电流条件；五十欧每方薄层上长宽比二且流过二十毫安时条带压降估计二伏
- 3
Core-Shell p-i-n GaN Nanowire LEDs by N-polar Selective Area Growth
- NIST publication §Abstract and device characterization，p/n contacts, array current path and electroluminescence 支持：分布式三维通孔可缩短横向路径并释放部分发光面积；较低正向电压不能单独证明架构或接触更优