前言:最近幾年LED(Light Emitting Diode；發光二極體)的市場需求極力旺盛，尤其是文字與資訊顯示等領域的成長，每年都以驚人的速度向上攀升，不久的將來LED勢必成為日常生活中不可閾缺發光光源。促使LED普及化的要素不外乎提高發光效率，使單體LED的光輸出增加，進而減少使用顆數達成小型化與低成本的基本要求。
LED的應用趨勢
雖然LED當初是以取代白熾燈為主要目標(表1)，不過90年代初期低功率砲彈型紅光LED已開始被應用於行人通行指示器(圖1)，每個指示器的LED使用數量約數十顆，隨著高功率紅光LED的實用化，2003年以後每個指示器的使用數量可望降至個位數，預估今後5年包含汽車方向燈與煞車燈都會被高功率紅光LED取代。基於省能源觀點利用LED作為機器的照明光源的情況不再是各別案例。雖然LED的價格處於不利地位，不過壽命超過白熾燈二位數與低耗電量卻是普及化的重要因素。
圖1 LED照明設備普及化的預測
LED取代鹵素燈(halogen lamp)與螢光燈會面臨兩個難題，第一個問題是鹵素燈與螢光燈的光束高達1000lm(流明)以上；第二問題是LED的發光效率數分之一左右。預估高發光效率、高功率LED會在2004年開始進入實用化，並在2005年逐漸被應用於汽車大燈與街燈。LED除了省能源的優勢之外，如果作為LCD(液晶顯示器)背光模組的照明光源時，紅(red)、藍(blue)、綠(green)三色LCD可發揮高演色性與色溫可調的特質(圖2)，不過目前成本與發光效率仍然無法超越冷陰極燈管，所以短期內似乎沒機會跨入大型液晶顯示器領域。
如上所述由於冷陰極燈管的紅色演色性並不理想，如果LED與冷陰極燈管合併使用，藉此彌補冷陰極燈管缺失的觀點而言，一般認為2003～2004年相關業者會考慮使用高功率紅光LED作為輔助性光源。
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發光色 |
主要用途 |
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紅色 |
液晶顯示器背光模組(改善紅色演色性) |
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橙色 |
保全燈具、汽車煞車燈 |
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黃色 |
汽車方向燈、照相機用輔助燈、照明設備 |
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紅色、綠色 |
植物哉培燈 |
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黃色、橙色、綠藍色 |
交通信號鐙 |
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紅色、綠色、藍色 |
小型液晶顯示器背光模組、投影機光源 |
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白色 |
汽車大燈、照相機用閃光燈、搜救燈 |
表1 各種不同高功率LED的用途
注1) 波長:紅色(650nm)，橙色(620nm)，黃色(590nm)，綠色(530nm)，綠藍色(510nm),藍色(470nm)。
圖2 紅色LED與CCFL的演色性比較
高效率發光材料
高功率(high power)LED主要訴求是使LED的使用顆數戲劇性減少，進而降低設備成本(device coast)，具體對策是改善發光效率提高動作電流密度。不同化合物半導體材料可產生不同的發光色，綜觀LED的技術發展動向與實際市場應用趨勢，可以發現短期內紅色～黃色發光的LED，被應用於汽車、保全燈具，以及小型液晶顯然器輔助光源的機會遠大於其它發光色LED。紅色～黃色發光的LED通常是使用AlGaInP系化合物半導體，如圖3所示該材料不論是發光效率或是普及性，依目前的技術而言可說是沒有其它材料可與它比擬，即使是本世紀初期出現的紅色～黃色發光四維AlGaInP系化合物半導體，與綠色～近紫外發光的GaN系化合物半導體都屬於它的範疇，換言之AlGaInP系化合物半導體幾乎是處於定案階段。
圖3 高效率LED材料比較
紅色～黃色LED化合物半導體材料中以AlGaInP系的發光效率最高；
AlGaInP與GaP組合性材料AlGaInP/GaP的效率最佳；率色～藍色LED
則以GaN系的效率最高，如果採用量子井結構時它的發光效率幾乎
與AlGaInP/GaP材料相同。
使用四維材料的LED(以下簡稱為四維LED)的內部量子效率，紅光LED為80%，黃光LED為24%，兩者已經接近理論極限，為了達成高功率LED的目的，必需朝提高外部發光效率亦即所謂的取光效率方向發展。四維LED在加速實驗時，理論上LED的電流密度可提高4倍左右，外部量子效率可增加2.5倍，如果再實施有效的散熱對策，抑制4倍電流密度後chip產生的熱量，如此一來相同的chip大小可獲得10倍的發光，依此推論未來LED的發光可望超過100倍。
表2是日本SUNKEN電氣最近開發的高功率紅光與黃光LED的規格，由表中列示的數據顯示，該公司開發的兩種新型LED chip的尺寸比傳統LED大5～10倍，光輸出分別是37lm、72lm，換句話說祇要一顆LED就可滿足汽車煞車燈需求光量；如果應用於交通信號燈時，大約祇要10顆LED就可取代傳統單色200顆的LED。
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chip type
(mm)
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波長
(nm)
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輸入電流(mA)
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順向電壓
(V)
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光輸出
(lm)
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發光效率(lm/W)
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typeⅠ0.7×0.7 |
620 |
400 |
2.5 |
37 |
47 |
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590 |
400 |
2.5 |
21 |
27 |
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typeⅡ1.0×1.0 |
620 |
800 |
2.5 |
72 |
47 |
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590 |
800 |
2.5 |
42 |
27 |
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0. 3×0.3
(SUNKEN高功率LED)
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620
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20
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2.5
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0.7
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14
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表2 新型高功率LED的規格
高功率黃光LED主要用途一般認為交通信號燈與大型電子看板等領域具有龐大的市場潛力，高功率紅光與黃光LED的耗電量祇有白熾燈(附有彩色膜片)的1/5，且大電流驅動時高功率LED的發光效率不會降低，或是出現光輸出飽和現象(圖4)。由於高功率LED晶片(chip)結構與封裝散熱特性的改善，即使驅動電流高達4倍80A/cm2 ，也不會發生光輸出飽和現象。相較之下傳統的低散熱砲彈型封裝LED，驅動電流如果超過20A/cm2 時就會急速產生光輸出飽和問題。新型高功率LED的發光效率，紅光為47lm/W (電流密度40A/cm2)，黃光為27lm/W (電流密度40A/cm2 )，遠大於傳統LED的2.5倍。
圖4 新型高效率LED的特性與外觀
如何提高LED的散熱性
上述高功率LED採用兩種新技術，分別是提高電流密度與發光效率。有關提高電流密是利用金屬筐體(metal frame)封裝方式將LED的熱能高效率擴散，除此之並大幅提高輸入電力，相較於傳統LED為1～2W，高功率LED則提高20～40倍。
LED的熱擴散技術面臨兩種選擇，第一種是將LED發光層(亦即LED的表面)與金屬筐框體接觸，再從LED內側(基板側)將發光層產生的光線取出，這種設計會遭遇另外兩個課題，首先是必需開發可轉換光線的透明基板；此外LED發光層與金屬筐框體接合面非常接近，導電膏(paste)容易與銲點接觸造成短路，因此必需開發新的對策技術。有鑑於此才使用高導熱性材料與LED晶片貼合方法與貼合技術，這種方式具有可直接延用傳統封裝技術的優點。由於Si具有GaAs三倍的熱傳導率，表面平坦且價格低廉，貼合時的熱處理變質量低，貼合設備結構簡單低成本，Si晶圓取得容易，且良率很高等優點，因此最後是以Si材質作為基板。Si基板與晶片貼合條件基於兩材料熱膨脹係數差異考量，因此Au長膜溫度設定為3000C 以下，Au膜層堆積於兩材料表面後再將金屬面貼合成一體，由於Au的熱傳導率很高，同時又可將LED的熱能擴散至Si基板，因此貼合時Au膜層不會發生龜裂(crack)現象，晶圓製程(wafer process)也無彎曲問題，對發光層而言更不會造成任何傷害。雖然Cu的熱傳導率比Au高，不過Cu在氫環境下進行熱處理時會變質，而且切割LED時必需用更厚的刀具，也就是說相同尺寸的晶圓能獲得的晶片數量相對的比較少。高功率LED晶片表面長有四維膜層，除此之外結構上與Si晶片完全相同，因此可直接延用稍作改裝的Si晶片封裝設備即可。傳統砲彈型LED熱阻抗為300K/W，使用Si晶片封裝設備封裝的高功率LED祇有10K/W左右，這意味著電流密度提高4倍，LED晶片亦無大礙。
如何提高LED的光反射率
如圖5所示為了提供外部量子效率(以下通稱為取光效率)，除了採用金屬反射層之外，電極構造也作適度的改良。反射層具有可使發光層產生的光線朝基板方向反射，讓光線從LED表面取出的效應。反射層被設於四維LED膜層與Au膜層之間，材質為Al(圖6(a))，採用Al質反射層的目的是為了避免貼合後LED的熱能對反射率造成影響，雖然Au材質的反射層具有較佳的反射率，不過在貼合過程中製程溫度除了會使四維LED與Au膜層之間的介面變質之外，還會同造成Au反射層的反射率降低，使得四維LED與Au膜層之間的「歐姆層」的反射率大幅降低至25%。因此在dot表面製作新型歐姆層(圖6(b))使反射率提升至60%，由於60%的反射率仍不如Al膜層，所以四維LED與Au膜層之間的介面，歐姆層祇能占用22%，其它部分必需使四維LED與Al膜層直接接觸，根據實驗結果顯示新型歐姆層即使經過熱處理製程，它的反射率變動仍然很低(圖7)
圖5 新型高效率LED與傳統LED的結構比較
圖6 高效率LED的動作原理
圖7 高效率LED的膜層特性
高效率紅光LED的反射率與膜層材料特性的比較，反射層的反射率會隨著LED製程上熱處理作業改變。Al膜層在 的熱處理變化較少，因此反射率高達80%；Au的反射率比Al高，不過熱處理後的反射率變化很大。如果化合物半導體膜層與反射層作電氣性接觸，形成歐姆領域時反射層的反射率會降低。新型歐姆層與AuGeNi合金層比較時，新型歐姆層的反射率為60%，若與綠光、藍光LED比較時Al的反射率為90%。
有關電極結構，為了使電流均勻流入寬廣面積內，因此加大發光領域的面積，具體方法是在LED晶片表面製作如圖8所示網目狀電極。圖9是歐姆層與反射層貼合到變成電極為止的製作流程，首先在GaAs基板上製作四維LED，之後去除GaAs基板製作歐姆層與Al反射層，接著與表面附有Au膜層的Si基板貼合，最後製作露出四維LED表面之網目狀電極，與Si基板內面電極。
圖8 網目狀電極的外觀
圖9 高功率LED製作流程
如圖10所示目前高功率紅光LED定電流的發光效率是37lm/W，未來可望提高到50lm/W，具體方法是改善發光層結構提高取光效率，可增加5%的發光效率；降低發光層的吸光效應可增加5%的發光效率；提高反射率預估可增加10%的發光效率；改善窗口領域與電極結構可增加5%的發光效率；降低熱阻抗改善光輸出的飽和特性，可增加數%的發光效率。紅光LED的外部量子效率(亦即所謂的外部取光效率)為20%，黃光LED的外部量子效率為6%，兩者的外部量子效率祇有內部量子效率的1/4左右，因此還有很大的改善空間。
圖10 高功率LED的預定改善目標與波長的關係
高功率藍光LED
基本上利用金屬反射膜層提高反射效果的技術並無發光色的限制，因此藍光LED也可應用上述方法變成高功率藍光LED，具體製作步驟是先在Si基板上製作GaN系藍光LED，去除Si基板之後再設置金屬反射膜層，接著再與另外一片Si基板貼合，雖然這種方式的成本很低，不過光輸出卻祇有藍寶石、SiC基板製成的LED的1/5，造成這種現象的原因有兩個，第一個原因是Si的結晶缺陷很多，造成在Si基板製作的藍光LED內部量子效率祇有一般藍光LED的1/2；第一個原因是從LED晶片活性層發射至Si基板的光線大部分都被Si基板吸收，造成從晶片取出的光取出效率祇有藍寶石基板的1/3。如果改用上述貼合技術並設置反射層的話，便可大幅降低基板吸光現象，假設電流密度相同時，理論上可獲得一般藍光LED的1/2的光輸出，若再配合新的封裝技術與Si基板貼合技術，就可作高電流密度驅動。除此之外改善epitaxial長膜技術，提高結晶品質亦可獲得與傳統高輝度LED相同的高功率藍光LED。
結語
如上所述LED普及化的基本要件就是提高發光效率，增加單體LED的光輸出，減少使用顆數達成小型化與低成本要求，基此觀點包括我國再內的國內外LED廠商非常積極投入材料、膜層結構、取光、散熱、封裝技術的研究，一般認為2005年LED照明光源會逐漸取代傳統的螢光燈與白熾燈，成為日常生活不可閾缺的照明光源。
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