解析LED光谱技术　挑战超高亮度LED产品

　不过，目前各家厂商质量良莠不齐、低价及技术研发都在强力竞争下的LED产业，厂商要如何面对竞争激烈及技术发展，将成为当前所要因应的问题。本文专访国立中兴大学材料工程学系专任教授武东星博士畅谈LED市场应用趋势及目前校园实验室中所研究的新技术。

　■LED技术发展与市场应用　众多门槛尚待突破

　在众多半导体材料中，LED只是其中一种，其主要结构呈现磊晶状态，并利用电能直接转化为光能的不变原则下，可在半导体内正负极2个端子施加电压，当电流通过时，促使电洞与电子相互结合，其它剩余能量便会以光的形式产生释放，其能阶高低使光子能量产生不同波长的光，以致于造就LED为基础的半导体照明产业链。

　另一方面，在下一代照明设备与区域网络光通讯应用慢慢成形之际，LED势必将会散发出更为耀眼光芒与前景；这是因为在与一般发热钨丝灯泡或者是水银日光灯相较之下，LED光源具有较高发光效能、寿命长久、省电性能佳，甚至具有低污染等优势。由此可见，各种照明设备及显示光源市场需求扩大，形成规模效应、技术效应等趋势，逐渐形成LED厂商趋之若鹜情况，以及大力投入高效能LED开发技术。

　虽然白光LED技术成熟度目前已发展到某个阶段，但…毕竟单颗的LED功率大约是0.1W左右，光通量会有所限制；换句话说，就是必须将多颗LED经由整合后，才能以「新一代光源」取代白炽灯源。虽然作为室内用照明光源灯具等实际应用案例，或多或少都已市场上出现应用，不过，其高单价实在难以普及性的推广；因此，要符合市场所期待的合理价格，尚须等上一段时间。

　因此，LED照明能否持续扩大市场，其主要问题在于亮度、专利权柯断、使用特色、单价过高…等症结；因此，在这一两年之内LED照明要完全取代室内照明设备，其难度相当高。不过，绝大多数LED厂商还是不愿放弃，持续地尝试进入其它特殊应用市场为基础，例如：户外大型显示器、车用指示灯、仪表板、手持式产品背光源、交通标志…等多项信息系统应用，借以累积实力及经验持续加强开发LED照明技术，期盼未来能将LED以生俱来特性发挥至极，开创出照明设备新的一番局势。

　■摆脱国外大厂专利权纠缠　迫切发展独有LED专利权实力

　自从LED技术发展至今，超高亮度多数LED专利权大都掌握在欧美、日等LED大厂手上，技术层次不高的台湾厂商，则为了规避犹如天网交织的LED专利权，无法采用最具效率之技术，使技术与产品却只能在中、低阶层应用市场打转，因此，要如何打破这个窘境，便成为台湾LED厂商当务之急。在中兴大学材料工程学系实验室研究中，就是将精密机械制造概念引入半导体制程中，以自行设计的设备，结合反射镜及低温热压式晶圆黏贴技术，成功制作出高反射率且散热良好的新型超高亮度LED。

　在制程成本及复杂方面，还可以比美、日等国降低不少成本，甚至在产品良率、省电效率、发光等效能上，都不逊于美、日LED产品。中兴大学材料工程学系实验室则是以全新研发设计技术，成功研发出比传统LED更为明亮度，价格还能持续降低的高效能LED，将可望协助台湾厂商发展出更具国际竞争力的LED产品。而在技术转移方面，已授权给台湾多家厂商后，低价成本、质量优异的LED新产品，已销售到日本、韩国和中国…等亚洲地区，颇受全球光电大厂关注。

　■光的重要性与其致胜之道

　随著这几年磊晶技术迅速发展之下，经由选择高纯度的单晶原料，再由适当温度控制及精确地掌握各组成元素分子大小匹配性，已可获得高质量双异质结构半导体或量子井结构的LED，便能将不同种类的单晶元素逐层地建构起来。更进一步讨论，电光转换效率也就是内部结构量子化效率（Internal Quantum Efficiency；IQE）已经高达90％以上；另外，在可见光LED材料选择上则是以AlGaInP为最大宗，这是因为其晶格常数（lattice constant）与GaAs基板具有绝佳匹配性。不过…由于GaAs基板能隙小于这些材料能隙，加上LED所散出的光又属于等向性光源；因此，有将近50％光源会在进入能隙较小GaAs基板时，便会受到吸收或者耗损。

　除此之外，倘若LED结构没有适当地安排电流分布，本身材料也会吸收其光源，而光源将从高折射率半导体传递到外围的低折射率空气（n＝1），绝大部分的光源将会受到反射影响，真正的问题将发生在LED外部量子效率（External Quantum Efficiency；EQE）大幅减少，甚至可能会低到剩下几个百分比而已。

　为满足上述问题，并提出因应的解决之道，中兴大学武博士所研发出高亮度LED制程技术，也就是将结合反射镜及芯片黏贴技术为主要基础概念，用一个具有反射镜的基板，再采用自行研发的工具进行芯片黏贴动作，以低温（350450℃）、短时间（1530min）热处理，黏贴至LED磊晶膜上，而后再将会吸光之GaAs基板去除。

　在反射镜材料选择上，则可选用应用在LED之P型欧姆接触（Ohmic contact）材料，如：AuBe（金铍）或AuZn（金锌）合金材料，这是因为AuBe、AuZn等合金材料具有低蒸气压、高融点、高表面原子扩散速率等特性，不但可使这项制程过程能够使金属与半导体接合在一起，达到理想上零压降，且具有双向导通的电性特性，完成欧姆接触。

　另一方面，还可作为LED与永久基板附著层之用，并具有反射镜功能，再经实际验证后，LED亮度确实有比GaAs作为吸光基板来得更具改善效果。至于前段所提到具有低温及短时间热处理特性，便能使LED电特性仍旧可保持原先在黏贴之前LED的相同电性。

　■基板材料选择　关乎LED亮度优劣

　以光源的角度来看，大部分基板选择都以透明材料为主，用来减少光的阻碍，要不然就是在基板与发光层中间，添加具有反光性质的材料层，借以避免光源被基板吸收或阻碍，导致不必要的光能浪费。

　在过去LED基板材料选择大都是采用玻璃基板或是以塑料基板为主，虽然具镜面特性的玻璃基板可大幅改进LED元件特性，不过在高电流工作下，却又容易存有散热较差的现象；而塑料基板的抗冲击性较佳，甚至可进行一定角度的弯曲，但在高温制程中，塑料基板则可能会受到破坏，或者容易穿透水气，而造成有机材料稳定性不佳等问题。

　有监于此，若以矽基板作为永久基板之用，则因为矽基板对热的导系数表现要比砷化镓基板来得更好，且具有良好散热性的永久基板，可将裸晶所释放出的热能，快速导入下一层的散热块上。至于在经过芯片黏贴开发技术之后，可避免LED材料与矽基板因为热膨胀系数不同，所导致的热应力问题，采用该技术不仅可顺利开发出高反射率、超高亮度LED，并且是一个散热极佳的LED产品。

　

▲在晶圆经过完整的黏贴动作之后，散热基板便具有高亮度发光二极管晶粒特性(a)600m、(b)1.2mm。（资料来源：中兴大学材料工程学系）

　基本上，反射镜LED技术最大优势在于，不论是价格便宜玻璃基板或者是矽基板，都可在基板上镀上一层适当厚度的金属反射镜，再搭配上低温、短时间热处理的芯片黏贴技术，便能将LED黏贴到反射镜上，再去除掉原先具有吸光的GaAs基板，可制作成垂直元件，使磊晶膜面积能够获得有效利用，并以平面电极元件达到玻璃作为永久基板的高亮度发光二极管，或以矽芯片作为永久基板超高亮度发光二极管，进而开发出另一种简易、低价位，还具有成功率高的高亮度发光二极管制程技术。

　其反射镜二极管主要制程技术，在磊晶基板上成长出一个具有光电效应发光能产出单元，再形成一个与该光能产出单元达到欧姆接触的第一导电层，便能获得最初的半成品。而在最初半成品的相反面磊晶基板表面上贴附一个暂时基板后，便可移除该磊晶基板，使该光能产出单元及磊晶基板相连结的表面裸露，制得第二阶段的半成品。在第二阶段半成品移除该磊晶基板，而使裸露光能产出单元表面形成一个具有可反射光的反射镜面，再经由雷射作用后，使该反射镜面与该光能产出单元形成欧姆接触，便可获得第三阶段半成品。最后，则是在该第三阶段半成品的反射镜面上形成一个永久基板后移除该暂时基板，制得该具有反射镜面的发光二极管。

　目前在实验室的研究，初步已成功研发2寸与3寸芯片黏贴用制程技术，且开发2寸与3寸晶圆芯片黏贴技术，以及制作出具有镜面基板的高效率发光二极管，其芯片黏贴率已达到90％以上（如图示），并已具有大量生产能力。利用此些技术可制作大面积、高功率之高亮度元件，发光元件亮度可达200流明（2.5mm、2.5mm、1安培）、最高出光效率可达27lm/W（626nm）。除此之外，该技术还能应用在白／蓝光的大面积LED，提高取代既有白炽光灯或日光灯等照明产业之用。

　

▲中兴大学已成功开发出2寸及3寸高亮度发光二极管磊晶膜成功贴合至具金属反射镜面之矽基板技术，其芯片黏贴率高达90％以上。（资料来源：中兴大学材料工程学系）