最近幾年由于技術及效率的進步，LED的應用越來越廣,；隨著LED應用的升級，市場對于LED的需求,，也朝更大功率及更高亮度,，也就是通稱的高功率LED方向發(fā)展。
對于高功率LED的設計,，目前各大廠多以大尺寸單顆低壓DC LED為主,，做法有二，一為傳統(tǒng)水平結構,，另一則為垂直導電結構,。就第一種做法而言，其製程和一般小尺寸晶粒幾乎相同,，換句話說,，兩者的剖面結構是一樣的，但有別于小尺寸晶粒,，高功率LED常常需要操作在大電流之下,，一點點不平衡的P、N電極設計,，都會導致嚴重的電流叢聚效應(Current crowding),，其結果除了使得LED晶片達不到設計所需的亮度外，也會損害晶片的可靠度(Reliability),。
當然,，對上游晶片製造者／晶片廠而言，此作法製程相容性(Compatibility)高,，無需再添購新式或特殊機臺,，另一方面，對于下游系統(tǒng)廠而言,，週邊的搭配,，如電源方面的設計等等，差異并不大,。但如前所述,，在大尺寸LED上要將電流均勻擴散并不是件容易的事，尺寸愈大愈困難,；同時,，由于幾何效應的關係，大尺寸LED的光萃取效率往往較小尺寸的低,。
圖：低壓二極體,、交流二極體及高壓二極體驅動方式的差異,。
第2種做法較第1種復雜許多，由于目前商品化的藍光LED幾乎都是成長于藍寶石基板之上,，要改為垂直導電結構,，必須先和導電性基板做接合之后，再將不導電的藍寶石基板予以移除,，之后再完成后續(xù)製程,；就電流分布而言，由于在垂直結構中,，較不需要考慮橫向傳導,，因此電流均勻度較傳統(tǒng)水準結構為佳；除此之外,，就基本的物理塬理而言,，導電性良好的物質(zhì)也具有高導熱的特質(zhì)，藉由置換基板,，我們同時也改善了散熱,，降低了接面溫度，如此一來便間接提高了發(fā)光效率,。但此種做法最大的缺點在于,，由于製程復雜度提高，導致良率較傳統(tǒng)水平結構低,，製作成本高出不少,。
高壓發(fā)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(fā)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(lián)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(shù)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(yōu)化，因此能夠得到較佳的電流分布,，進而提高發(fā)光效率,。
高壓發(fā)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(shù)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(fā)光區(qū)域的減少，將影響HV LED的發(fā)光效率表現(xiàn),，因此需要開發(fā)高深寬比的製程技術,，縮小製程線寬以增加發(fā)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(zhì)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(chǎn)生毀損,，造成晶片的失效，因此平坦化製程的開發(fā)就變得重要,。理想的狀態(tài)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(fā)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(huán)境，非常具有彈性,。在高壓發(fā)光二極體中,，外部整流器捨棄AC LED採用同質(zhì)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(fā)光二極體較AC LED少了內(nèi)部橋整的發(fā)光區(qū),，使發(fā)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(fā)光二極體的效率優(yōu)于一般傳統(tǒng)低壓發(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)光二極體本質(zhì)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(nèi)都必須附加交流轉直流(AC/DC)的電源轉換系統(tǒng),，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(xiàn)象，使得發(fā)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(fā)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(shù)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(fā)光二極體的優(yōu)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(fā)光二極體有下列好處：
1,、節(jié)省變壓器能量轉換的損耗及降低成本。
2、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,。
3、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,。
4、除了紅色螢光粉外,，也可以運用藍,、紅HV LED搭配適當?shù)狞S、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(jù)客戶的各項參數(shù)需求，做設計準則的基本檢查,；進一步根據(jù)相關的光,、電及熱模型執(zhí)行模擬，決定單位晶胞的大小,、數(shù)目及最終產(chǎn)品呈現(xiàn)形式后，再加以實踐驗證,；并根據(jù)實踐所收集到的資料,，驗證塬始設計，或是加以修改達到優(yōu)化的結果,。目前晶元光電研發(fā)中心已經(jīng)著手進行高壓發(fā)光二極體相關模擬光,、電及熱模型的建立。