高效率白光LED技术动向

前言

最近几年GaP、GaN Ⅲ-V族(三五族)混晶化合物半导体之可视光发光二极管(LED:Light Emitting Diode)的长晶、组件制程技术、物性评鉴方法都有大幅的进步，同时高效率红色、琥珀色(amber)、绿色、蓝色LED也相继问世(图1)。

基本上LED的发光原理是利用半导体固有特性，它不同于以往的白炙灯管的放电、发热发光原理，所以LED被称为冷光源(cold light)。LED具有高耐久性、寿命长、轻巧、耗电量低且不含水银等有害物质，因此LED与照明设备业者对LED都寄与极大厚望。尤其是高亮度蓝色LED与荧光体(YAG:Ce)所构成的白光LED更被视为新世代省能源光源。除此之外紫外线(UV)LED由于组件结构有革命性突破，外部量子效率( )超过20%以上的UV LED与三波长荧光体所构成的白光LED也加入新世代光源的行列。

可视光LED技术动向

半导体LED的动作原理是将电流顺向流入半导体的p-n时便会发出光线。AlGaInP型LED在红～绿色领域属于直接迁移型材料，所以可作成黄、橙、红色等高效率LED。为了达成高效率目的除了提高结晶性增加内部量子效率之外，光线取出技术(以下简称取光技术)与发光效率的改善都可增加LED的实用效益。

一般的半导体LED的折射率大于外部的折射率，换句话说半导体LED所产生的光线大部份都被半导体与外部(环氧树脂:epoxy)的界面全反射回到半导体内部，全反射的光线则被活性层本身与电极、基板吸收。因此LED chip对外部的取光率远低于内部的量子效率，以现阶段的技术而言LED的外部取光率顶多祇有30%。如果使用会吸收可视光的GaAs作为AlGaInP LED的基板时，由于长晶过程会使得 LED chip内的吸收损失变的非常大，相对地的外部取光率便受到影响。为了减少基板的光线吸收因此改用透明基板粘贴技术，具体操作步骤是在LED长晶后先除去GaAs，之后在高温环境下施加压力将透明状且波长几乎与LED一致的GaP粘贴上去，如此便可提高二倍的光线取出率。

图1可视光LED的效率发展动向

图2外形呈倒梯形结构状的LED(简称为TIP LED:Truncated Inverted Pyramid LED)乃是针对取光效率所作的改善，图3是TIP LED与传统LED的取光效率比较，由图可知波长650nm红光LED的取光效率接近55%，同样是TIP LED波长610nm红橙光LED视感效率为100 lm/W，它是目前发光效率最高的LED。

图2 AlGaInP系TIPＰ-LED

　
 
图3 TIP-LED的外部量子效率与传统型的比较

白光LED技术动向

GaInN型LED是在具绝缘性的蓝宝石(sapphire)上长晶，因此可由上方长晶面取得p与n两电极，由活性层所产生的光线是通过厚度极薄的p型电极取出，构造上与AlGaAs型或是AlGaInP型LED完全不同。自从GaInN型LED实用化后加上长晶技术的改善使得发光效率有明显的增加，目前蓝光与绿光GaInN型LED的发光效率已经从过去的0.5lm/W与7lm/W提高到8lm/W与40lm/W(上述的发光效率是以20mA动作电流与典型的动作电压值计算结果)。

GaInN型材料具有高密度结晶瑕疵，然而有关GaInN型LED的高发光效率动作机制仍不清楚。若单纯从材料特性推测一般认为是载子(carrier)局部空间具备捕捉效果所造成，换言之从长晶条件与组件造型最佳化可反映载子局部空间的捕捉效果观之，载子效应可能是提高GaInN型LED内部量子效率的关键要素。

此外AlGaInP型LED系列除了内部量子效率等因素之外，也可利用取光技术的改善提高GaInN型的发光效率，例如LED覆芯片化(flip chip)后便可增加二倍输出，图4是flip chip的断面图与以往上方取光结果的比较，如图所示传统的LED结构是透过透明电极取光，所以会有电极的光损耗；flip chip的结构是以反射率极高的金属作为p型的电极，并由蓝宝石基板端缘取光因此电极的光损耗相对减少，目前flip chip结构的LED已经进入量产阶段。

最近几年使用荧光体与光触媒作用所构成的紫外线LED(UV LED)(波长350～390nm)的开发动向也备受关注，尤其是波长382nm、外部量子效率24%(动作电流20mA时)的GaInN型LED是在已作过凹凸加工的蓝宝石上使用选择性长晶GaN基板，因此大幅减低结晶的转位密度并且提高内部量子效率，如果再加上flip chip结构则更加突显取光效率，测试结果显示低转位密度可使效率提高2.5倍，flip chip结构可使效率提高1.7倍，两项技术加乘结果比传统蓝宝石侧面取光多4.5倍的量子效率。

a).光源的發光效率(k)
能量(energy)效率是指輸入電力(W)轉換成光量子(lm:luminous flux)的百分比；發光效率(luminous efficacy of radiation)是以K(lm/W；流明/瓦特)表示。波長為λ時單一波長的發射光k(λ)可由下式表示:

-----------------------------(1)



lm/W(波長為555nm綠光最大值)， 為各波長的發光效率。假設各波長的頻譜強度分佈關數為 時，各波長的發光效率可由下式求得:

根據上式算出波長450nm藍光LED的最大效率是26 lm/W。

b).演色評鑑指數(Ra)
演色評鑑指數(color rendering index)通常是以(Ra)表示，演色評鑑方法是依照CIE(Commission International de 1" Eclairage,International Commission on Illumination)的規定執行。一般照明用白炙熱燈泡可分為日光色(色溫6500K)與燈泡色(色溫2850K)兩種，這兩種不同色溫的白炙燈泡的色溫值都落在CIE所制定的條例軌跡上(planckian locus)，即使是螢光燈的色度值亦需遵循CIE規定的條例。基本上Ra?80乃是高效率白光LED的基本條件，室內裝潢照明用閱覽書籍時的Ra則需要大於95。

為了使白光LED能具有高發光效率(K)與演色性(Ra?80)，基本上有單晶片(one chip)與多晶片(multi chip)兩種封裝方式(表1)，所謂單晶片是使用藍色或紫色以及紫外線的光線撞擊螢光體或ZnSe結晶產生白光；另外一種方式是使用紅、綠、藍(R.G.B)外加黃橙色LED，3～４種LED同時點燈產生白光，這種方式除了驅動電壓與發光方式不同之外，溫度特性與元件壽命亦有很大的差異，距離實用化仍有許多問題需要克服；單晶片方式則因為是由單一元件所構成，因此驅動電路較易設計。

由於GaN系化合物半導體藍光～紫光LED完成實用化驗証，因此促成表1中部份白光LED在96年隨之進入量產階段。具體而言這些已實用化的白光LED的結構與表1記載內容相同，大致上是:
1). 藍光LED撞擊黃色發光體或結晶。
2). 紫外光或紫色LED擊R.G.B螢光體。

表1的K與Ra值適用於上述任何種類的白光LED。目前單顆LED的光束(lm)仍相當微弱，因此應用於一般照明領域時需由複數個LED組合成照明光源。最近幾年國內外非常熱衷紫外線(UV)白光LED的研發，表2是UV系白光LED的基本特性。UV系

白光LED是在藍寶石上基板上製作具有             


MQW(x=0.08)構造之LED chip。覆晶片化(flip chip)方式，20mA，3.4V順向偏壓(bias)條件下可獲得15.6mW的光輸出與24%的外部量子效率，發光波長為382nm。此種UV系白光LED即使輸入50mA電壓，光輸出亦不會出現飽和現象，同時還可以獲得40mW以上的光輸出。

利用UV LED撞擊三原色螢光體所獲得白光發光效率可藉由式(2)得到下式:

白光LED的特征

(1).利用蓝光LED激发YAG荧光体之白光LED

图5是圆头桶状型白光LED(10cd级)的发光频谱温度依存特性图(20～160 )，该圆头桶状型白光LED 灯泡是由复数LED矩阵(array)所构成，室温时蓝光LED的波长最大值为465nm。波长555nm的黄光是由具有150nm发光幅宽(broad)的YAG:Ce3+离子(5d→4f迁移)所构成。YAG:Ce3+的发光激发波长设于460nm，随着温度上升465nm最大发光激发波长会迁移到长波长区段，这与InGaN半导体的禁止波长领域的温度变化相同。555nm的黄光波长区段则几乎不会有迁移现象，不过如此一来发光强度却会急遽下降。主要原因根据推测可能是温度上升后蓝光LED的最大发光波长迁移到长波长区段，YAG:Ce激发区段的共鸣位置依序偏移，造成发光强度随之下降。由于白光LED的发光特性受到温度的影响，因此温度若超过500C时黄色发光强度会急遽下降，白光的演色性变差，色度则大幅偏移。

图6是白光LED发光效率的顺方向偏压(bias)依存特性图，由图可知白光LED的偏压约为 mA，换言之每一mA的发光效率约等于45lm/W。不过10，20mA时则变为27与23lm/W，如此高的发光效率可能是蓝光LED本身具有很高的内部量子效率，以及低电流时的高注入效率所造成。一般而言红光AlGaAs与黄光AlInGaP LED并不具备这种特征，不过整体而言有关高发光效率的物理机制仍不清楚。此外蓝光LED无法接受超过50mA的直流高电流，也就是说蓝光LED的发光有它的极限。

(2).利用UV LED激发R.G.B荧光体之白光LED
图7是白光LED结构图。如上所述紫外线(UV)LED属于InGaN系LED(发光波长382nm)，它是由高反射率的金属电极与覆芯片(chip)和蓝宝石基板取光结构所构成，可被紫外线LED波长激发变成白光之荧光体则涂布于作为紫外线反射膜之玻璃基板表面，之后贴附于紫外线LED芯片上方，紫外线LED芯片端缘则镀有一层可把紫外线转换成可视光的膜层。。不论荧光体膜厚、紫外线反射膜有无、芯片端缘膜层有无，白光LED的发光特性量测方法与传统的荧光灯管完全相同。

图8是室温时注入型发光频谱的电流注入依存特性。如图所示10mA时发光波长为382nm(3.24eV)，半值幅100nm时却随着电流的增加，发光波长会朝短波长区段移动，最后造成发光broad。100mA时则移动至3.14 eV(约等于394nm)低能量范围。

图9是UV LED所使用可产生白光的激发源红色(Y2O2S:Eu3+)，绿色(ZnS:Cu,Al)，蓝色(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6(Cl2:Eu2+)等荧光体混合物的发光频谱电流注入依存性。由图可知发光强度最大值(peak)分别依附于波长626，528，447nm范围内，即使增加注入电流发光频谱也没有显著的改变，反而是发光强度随着电流的增加成直线型成长。此时白光LED的发光效率约为10lm/W，平均演色指数Ra可透过R.G.B荧光体剂量的最佳化选择而达到83～90左右。

图10是利用UV光激发之白光LED与蓝光激发之白光LED的电流注入色度依存性。如图所示注入电流从1～150mA的增加，蓝光与YAG所构成的LED，蓝光反而逐渐变强，白光的色度变化则显著改变；而UV光激发之白光LED几乎没有发生任何变化，换句话说利用UV激发R.G.B之白光LED照明光源可透过荧光体的组合获得Ra值超过90之高演色性白光，使得未来一般室内用照明的应用范围更加广阔。

 
图10 两种白光LED的色度电流注入依存度

(3).利用R.G.B三色LED组合之白光LED

R.G.B三色LED所构成的白光LED技术上可说是最单纯(simple)，但是至今还迟迟无法商业化，主要原因是R.G.B三色LED的半导体材质彼此差异极大，因此驱动电路的设计也变得极为烦琐复杂。就以实例来说红光LED的驱动电压为1.8V，其它两色绿光与蓝光则为3.5V，且R.G.B三色的发光波长分别是红光640nm，绿光525nm，蓝光470nm(图11)，彼此的半幅值相当狭窄，因此R.G.B三色LED所构成的白光LED距离实用阶段，除了技术上还有许多问题有待克服之外，每颗白光LED20～40美元的成本也是实用化的阻力之一。虽然美国业者曾经利用蓝绿光LED(波长500nm)与琥珀色LED(波长612nm)的互补色关系制作虚拟白光LED(BCW:Binary Complementary White)，但实际上Ra值相当低因此前景并不乐观。

化合物半导体长晶技术的不断进步、成本降低以及封装技术的改善，今后更有机会制作出非常完美的照明用白光LED。例如波长分别是红光459.7nm，绿光542.4nm，蓝光607.3nm R.G.B三色LED的组合，Ra值约为80，K值为400 lm/W，设若各LED的外部量子效率为20%时，K值便成为80 lm/W，如此一来便可获得足够的亮度。

 
白光LED照明应用的课题

白光LED应用于一般照明领域还有诸多问题需要解决，首先是白光LED的效率提升，例如GaInN系的绿光、蓝光以及近紫外光LED的效率仍有很大的进化裕度。此外综合能源效率(wall plug efficiency)的内部量子效率提升可说是最重要的项目(item)，内部量子效率是由活性层的非发光再结合百分比与发光再结合百分比所决定，因此可以把焦点锁定在非发光再结合这部份，并设法降低结晶缺陷瑕疵。如上所述减少紫外线LED的转位密度确实可以明显提高内部量子效率，未来必需针对紫外线LED更加减低它的转位密度。不过这项对策对绿光、蓝光LED并没有明显的影响。若是以高电流密度作高输出之照明用途的立场与结晶的可靠度观之，低转位化就变得极为关键性。

此外绿光与蓝光LED在低电流密度(约1A/cm2左右)时具有最大量子效率，高电流密度时量子效率反而会下降(图12)。从成本观点考量时则希望LED能够以高电流密度来驱动，同时尽可能增加组件的输出功率，因此早日解开绿光与蓝光LED高电流密度时量子效率下降的动作机制与原因，不单是材料物理特性探索上的需要而已，这项研究对于未来应用层面来说也是具有关键性的角色。目前的研究显示紫光LED(波长382nm)即使施加高电流密度(50A/cm2) 量子效率也不会下降。

 
                图12 GaInN系LED量子效率的 电流密度依存性
　
传统的LED都是将200～350μm方形chip封装成圆头柱状外形，之后为了获得照明所需要的光束，再将已封装之复数个LED组件(device)排列成矩阵状，若从成本面与组件特性的角度观之，如此设计似乎显得有点不务实。单纯基于高输出功率为目地特别开发出面积比以chip往大6～10倍，外形尺寸更高达500μm～1mm的LED，虽然封装后可获得数百mW(数十lm)的输出功率，不过实际上一昧加大chip外形尺寸，反而会使LED内部的光吸收比率增加，外部取光率降低等反效果。就以AlGaInP系LED为例，chip外形尺寸从0.22x0.22mm2加大为0.50x0.50mm2后，测试结束显示外部取光率反而降低20%左右。如果改用上述TIP结构，由于内部多重反射的结果使得内部光吸收率降低，外部取光率则明显的提高。同理转用于GaInN系LED也有相同的效果，由此获得的结论就是如何提高LED chip(芯片)的外部取光率是LED应用于一般照明领域的主要关键。此外热阻抗高达150～200K/W，如此高的热阻抗对日后高亮度输出的需求相当不利。LED内部量子效率对活性层温度的依存度极大，因此除了低热阻抗封装技术之外，利用散热片(heat sink)排除活性层的热流变成日后必需严肃思考的决择。图13为另类LED封装的外观图，在中央部位是圆柱形金属材质所构成的散热片兼光线反射罩，LED chip所产生的热能透过此散热片传递至外部，这样的结构可使封装后的LED组件热阻抗维持在10～15K/W左右，相当于传统圆头柱状封装的十分之一以下。未来则必需根据实际环境的需求，开发各种低热阻抗的封装技术。图14是白光LED发展履历统计表，如图所示白光LED进入一般的照明领域并低价大量生产，依目前的技术发展进度观之预估是2010年以后吧！

 
　
　
 
结语

目前已商品化的圆头柱状白光LED大多是利用色互补关系产生的仿真白光，结构上蓝光与黄光之间的色差，加上模拟光容易使人产生一种不协调感(stress)，此外无法获得高演色性(Ra>90)，且高电流时会有色度偏差等问题，都是今后仍需努力的方向。

国内外业界普遍认为一般照明用白光LED的预期功能，在2010年之前发光效率应该可达到100lm/W，组件单位光束为25lm以上，每单位流明(lm)成本必需低于100美金，寿命可望超过十万小时。

如上所述白光LED具有轻巧、省电、寿命长、亮度高等特征，因此英、美、日等国家先后成立国家规模的研究单位，试图在未来能抢夺商业先机。身处在如此激烈的竞争环境下，加上严苛的预期功能可以肯定的这将是一场纯脑力的国际争霸战。