高压发光二极管（high-voltage light-emitting diode）具有工作电压高、 驱动电流小的特点， 还有封装成本低、 暖白光效高、 高可靠性驱动、 线路损耗低等优点， 这使其得到了广泛的研究与应用。 首先介绍了高压LED的基本原理， 分类与结构； 然后， 着重从优化器件光电特性的角度， 阐述了高压LED关键制备工艺的最新研究进展； 并从失效机制和热特性方面阐述了高压LED的可靠性问题； 最后， 展望其发展与应用前景。

高压LED因其自身突出的特点在照明领域有着潜在的应用优势, 但作为一种新型功率LED, 其光电热特性仍需深入研究。 该实验对6和9 V GaN基高压LED芯片进行了相同结构和工艺条件的封装, 对封装样品进行了10～70 ℃的变温度光谱测试, 并进行了从控温平台温度到器件结温的转换。 为保证器件的电流密度相同, 6和9 V样品光谱测试的工作电流分别设定为150和100 mA。 结果显示, 结温升高会导致蓝光峰值波长红移、 波长半高宽增大、 光效下降和显色指数上升等现象。 在相同平台温度和注入功率下, 9 V样品的结温低于6 V样品; 随着温度的升高, 9 V样品波长半高宽的增加量比6 V样品少1.3 nm, 光效下降量少1.13 lm·W-1, 显色指数上升量少0.28。 以上表明, 与低压LED相比, 高压LED有着更低的工作结温和更小的温度影响。 原因在于, 相同环境温度下高压LED具有更好的电流扩展性和更少的发热量。 此特性在高压LED的研究、 发展与应用等方面具有参考价值。 此外, 峰值波长仍与结温有着较好的线性度, 在光谱设备精度较高的情况下可继续作为结温的敏感参数。

为提升GaN基高压LED芯片的出光性能,优化了芯片发光单元之间隔离沟槽的宽度.当隔离沟槽宽度为20 μm时,芯片的电学性能和光学性能最优.当注入电流为20 mA时,正向电压为50.72 V,输出光功率为373.64 mW,电光转换效率为36.83%.采用镜面铝基板和陶瓷基板进行了4颗芯片串联形式的COB封装.镜面铝基板的热导率和反射率均高于陶瓷基板,可提升HV-LED器件在大注入电流和高温时的发光性能.当注入电流为20 mA且基板温度为20 ℃时,镜面铝基板封装的HV-LED器件的正向电压是198.9 V,发光效率达122.2 lm/W.

主要从三个不同角度探究并分析了基于InGaN材料的高压LED的发光效率优于传统大功率LED的原因。为了保证实验结论的可靠性, 文中所采用的实验样品具有相同的芯片尺寸和材料以及相同的封装结构。经过大量的实验证明, 更均匀的电流分布和小芯片间隙的出光, 使得高压LED的发光效率优于传统大功率LED。结果显示, 在相同的1 W输入功率下, 高压LED的发光效率比传统大功率LED高大约4.5%。

对GaN基绿光高压LED分别施加-500、-1 000、-2 000、-3 000、-4 000、-5 000和-6 000 V的反向人体模式静电打击, 每次静电打击后, 测量样品的I-V特性曲线及光通量等参量, 研究静电打击对GaN基高压LED器件性能的影响.结果表明: 当样品经过-500, -1 000、-2 000、-3 000和-4 000 V的静电打击后, 由于LED器件内部产生了缺陷, 发生了软击穿并且反向漏电流明显增加, 但光通量的变化不明显；当经过-5 000 V和-6 000 V的静电打击后, 由于发生了热模式击穿, 温度迅速升高, 在结区形成熔融通道, 使LED的光通量明显减小, 甚至衰减到未打击时的一半；在经受-6 000 V的静电打击后, 正向电压的减小和反向漏电流的增加更加明显, 漏电现象更加明显, 严重影响了器件的性能, 最终使LED样品失效.

设计并制备了51 V高压LED。对器件进行了大电流冲击试验并对器件的损毁原因进行了分析。运用有限元分析软件ANSYS对LED关键结构部位进行参数化建模及热分布模拟，得到其稳态的温度场分布；然后经过与红外热像仪成像图对比，得出电极烧毁的原因在于芯粒连接处的电极过薄过窄而导致的电阻过大，为后续设计更可靠的高压LED提供了参考。对芯片分别进行蓝光及色温5 000 K的白光封装，并分别测量了热阻，涂覆荧光粉的白光灯珠的热阻要比没有涂覆荧光粉的蓝光灯珠高约4 ℃/W。同时，51 V高压LED的热阻比1 W大功率LED要高，说明高压LED的散热性能比常规LED要差，这可能与高压LED具有深沟槽及众多的互联电极结构有关。

设计并制备了12 V 的GaN基绿光高压发光二极管(LED), 并对其进行了变电流测试。研究了绿光高压LED的正向电压、峰值波长、光功率以及光效等重要参数随注入电流的变化关系, 电流变化范围为3~50 mA, 测试温度为25 ℃。实验结果表明: 电流对绿光高压LED的光电特性有很大影响。在驱动电流为20 mA时, 对应电压为14 V。随着注入电流的增大, 峰值波长蓝移了2 nm。随着电流的增大, 光功率近似于线性增加。在注入电流从3 mA增大到20 mA的过程中, 光效降低了约61%; 在注入电流从20 mA增大到50 mA的过程中, 光效降低了约39%。这说明高压LED在大电流驱动时, 光效降低的幅度比较缓慢。上述结果对 GaN基绿光高压 LED 的改进优化具有一定的参考价值。

高压LED和交流 LED都是通过串联数十颗LED来增大整体导通电压，结构上高压LED是交流LED的一种特殊形式。介绍了高压LED和交流LED的驱动电路模型，其共同点是皆有一个限流电阻与光源串联。通过调整限流电阻的阻值和改变光源所含LED个数与连接形式，分别对高压LED和交流LED的输出特性进行了测量。在两种光源所含LED数量和工作电流均相同的情况下，高压LED的发光效率和光通量要高于交流LED；并联式高压LED的发光效率低于串联式高压LED的发光效率，光通量则相反；验证了交流LED的发光效率与限流电阻无关。

在制备串联高压LED阵列工艺中, ICP刻蚀工艺引起的漏电与断路问题是高压LED电流输运特性中的核心问题。本文着重从刻蚀深度、掩模材料以及隔离槽制备方面分析了ICP刻蚀工艺对高压LED的漏电、电极开路等电流输运问题的影响。通过随机抽取样品进行电学测试并结合SEM观测, 对比了不同工艺过程, 得出ICP工艺是导致串联高压LED阵列中可靠性问题的主要原因。并通过优选ICP刻蚀工艺, 使高压LED电流输运特性得以改善, 制备出～12 V的四串联高压LED阵列器件。