高亮度LED解決關(guān)鍵問題前程似錦

隨著發(fā)光二極管發(fā)光效率的不斷提高，發(fā)光二極管無疑為近幾年來最受重視的光源之一。一方面憑借的其輕、薄、短、小的特性，另一方面藉其封裝型式的耐摔、耐震及特殊的發(fā)光光形，發(fā)光二極管的確給了一般人們一個很不一樣的光源選擇。然而，目前已經(jīng)看到LED發(fā)展的困難包括散熱問題，以及發(fā)光二極管特殊發(fā)光光形的利用等。如何克服，考驗各家廠商研發(fā)能力。

發(fā)光二極管有一個很大的特點，就是具備低電流、低電壓驅(qū)動的省電特性，而這樣的特性在世界能源缺乏及各國針對綠色環(huán)保觀念的提升同時，尤其吸引大家的注意。目前各國政府除了致力于新型能源的開發(fā)外，對既有電器設(shè)備效率的提升及環(huán)保的研究亦投注相當?shù)男牧Α６谘邪l(fā)如何降低工業(yè)用電量的同時，目前普及率約80%的家電用品耗電量也逐漸受到重視。

在照明發(fā)光方面，以能委會估計的結(jié)果來看，若使用目前發(fā)光效率較高的熒光燈具(66～75lm/W)取代傳統(tǒng)使用的60W白熾燈泡，在每年點燈時間為3,500小時的情況下來計算，一年約可節(jié)約的電量約6.89億度(約8.86萬kW)。

而熒光燈具雖然有目前較高的發(fā)光效率、較低的制造成本等優(yōu)點，但是因為熒光燈具的燈管中含汞，而用于封裝熒光燈具的材料又以可吸收紫外線的玻璃為主，玻璃易碎的特性加上汞廢料的不易回收，均會嚴重地造成環(huán)境的污染。因此歐盟已經(jīng)明令將在2007年開始禁用這些含汞制品，也因此新型照明燈源的開發(fā)已經(jīng)成為各國政府發(fā)展的目標，而LED(light emitting diode)，也就是我們平常說的發(fā)光二極管，更是目前各國在照明方面發(fā)展的重點。

發(fā)光二極管發(fā)光原理

所謂的發(fā)光二極管其結(jié)構(gòu)基本上就是傳統(tǒng)的p-n二極管，但其主要功用并不是用來整流，而是利用其在加上正偏壓后電流通過pn接面時，促使接面部分的電子電洞結(jié)合而放光。

而發(fā)光二極管所發(fā)出光的波長除了決定于二極管所用半導(dǎo)體材料的波長外，也取決于不同材料間的混合比例。圖2為各發(fā)光材料能帶、晶格常數(shù)與發(fā)光波長間的關(guān)系，可以看出目前紅、黃、綠光主要是以InGaAlP材料為主，而藍、綠光則是以InGaN材料為主。

發(fā)光二極管之制程技術(shù)

對于半導(dǎo)體發(fā)光二極管而言，晶格的匹配是一個重大的課題，因為對于大部分III -V族半導(dǎo)體而言，并沒有剛好適合的基板(substrate)可承載上方的磊晶層，而成長的磊晶層其晶格大小必須與基板的晶格匹配，才不至于因應(yīng)力的因素導(dǎo)致晶格缺陷，使得組件發(fā)出的光子被缺陷吸收，而大幅降低組件的發(fā)光效率。最早的III-V族半導(dǎo)體異構(gòu)磊晶(heteroepitaxy)是采用 GaAs作基板，并在其上成長GaAlAs的磊晶層，因為這兩種材料的晶格非常近似，所以磊晶層與基片之間的應(yīng)力極小，因此研發(fā)過程中并無發(fā)生太大的困擾。

但是后來陸續(xù)發(fā)展出來的磊晶如GaAs1-xPx成長在GaAs基板上，或是GaAsxP1-x成長在GaP基板上都有應(yīng)力存在的問題。因此在光電材料中，往往會藉由調(diào)整二元、三元甚至四元材料的比率，這樣一方除了可以藉不同大小的多元原子的比例來匹配基片的晶格結(jié)構(gòu)，也可因為調(diào)整半導(dǎo)體的能隙大小，而調(diào)整發(fā)光組件發(fā)光的波長，唯這樣的方法在磊晶參數(shù)的調(diào)整上也復(fù)雜許多，也因此可以看出，磊晶技術(shù)可以稱為半導(dǎo)體發(fā)光組件技術(shù)中的核心。

而在磊晶方法提升的同時，磊晶的結(jié)構(gòu)也持續(xù)地在改良。最早的結(jié)構(gòu)當然是傳統(tǒng)p-?n接面的發(fā)光二極管，但是其發(fā)光效率并無法得到明顯地改良，因此利用單一異質(zhì)接面(Single?Heterojunction, SH)結(jié)構(gòu)的方法開始被使用在磊晶的制程上，可以提高二極管中少數(shù)載子注入(minority carrier injection)效率，因此發(fā)光效率獲得明顯地提升。之后更發(fā)展出雙異質(zhì)接面(Double Heterojunction, DH)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)兩邊的材料能隙高于中間者，因而可以非常有效地將雙邊之載子注入到中間層且將這些載子完全困在這一范圍內(nèi)，而產(chǎn)生非常高的光電轉(zhuǎn)換效能。最新的方法當然是在磊晶層當中采用量子結(jié)構(gòu)，當雙異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)的中間層厚度逐漸縮小到數(shù)10埃(A)時，電子或電洞即產(chǎn)生量子效應(yīng)，而可大幅提升光電轉(zhuǎn)換之效果。

在此所提的磊晶技術(shù)主要是針對III-V族材料中發(fā)光波長集中在紅、黃光波段材料的GaAs系列。這系列的發(fā)光二極管發(fā)展較早，也較早獲得較佳的結(jié)果。但是若希望獲得全彩的半導(dǎo)體光源，無論如何必須發(fā)展出藍、綠光波段的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，而GaN系列的發(fā)光二極管也在這樣的需求下，在近年來有了明顯的進步。

GaN制程困擾順利克服

應(yīng)用于藍、綠光發(fā)光二極管的材料，早期主要是ZnSe及 GaN。因為ZnSe有可靠度的問題，因此才讓GaN有更大的發(fā)展空間。只是早期GaN的研究遲遲未能獲得明顯的進展，主要是因為一直無法找到與GaN晶格常數(shù)相匹配的基板，造成磊晶中缺陷密度過高，也因此發(fā)光效率始終無法提升。

另一個造成GaN無法獲得突破的原因，在于組件的P-GaN部分成長不易，不但P-GaN的摻雜(doping)過低，且其電洞之移動率(mobility)也較低。一直到1983年日本的田貞史(S. Yoshida)等人在藍寶石(Sapphire)基板上先用高溫成長氮化鋁(AlN)當作緩沖層，然后成長出的GaN才獲得較佳的結(jié)晶，之后名古屋大學(xué)的赤崎勇教授(I. Akasaki)等人利用MOCVD在低溫下(600℃)先成長AlN緩沖層，而得到其上方在高溫成長后如鏡面般的GaN。1991年日亞公司(Nichia Co.)的研究員中村修二(S. Nakamura)利用低溫成長GaN之非結(jié)晶緩沖層，再以高溫成長得到同為鏡面般的GaN，此時磊晶部分的問題已經(jīng)獲得重大的突破。

另一方面，1989?年赤崎勇教授利用電子束照射鎂(Mg)摻雜之P-GaN，可得到明顯之P型GaN，之后日亞公司的中村修二更直接利用700℃的熱退火完成P型GaN的制作，至此困擾GaN發(fā)展的兩個重大問題終獲得突破。

1993年，日亞公司利用上面的兩項研究，成功開發(fā)出可發(fā)出一燭光(Candela)的GaN藍光發(fā)光二極管，其壽命達數(shù)萬小時。而后綠光發(fā)光二極管、藍、綠光二極管雷射陸續(xù)被開發(fā)出來。

廠商致力提升發(fā)光二極管效率

發(fā)光二極管的發(fā)光效率一般稱為組件的外部量子效率(external quantum efficiency)，其為組件的內(nèi)部量子效率(internal quantum efficiency)及組件的取出效率(extraction efficiency)的乘積。所謂組件的內(nèi)部量子效率其實就是組件本身的電光轉(zhuǎn)換效率，主要與組件本身的特性如組件材料的能帶、缺陷、雜質(zhì)及組件的磊晶組成及結(jié)構(gòu)等相關(guān)。而組件的取出效率指的則是組件內(nèi)部產(chǎn)生的光子，在經(jīng)過組件本身的吸收、折射、反射后實際上在組件外部可量測到的光子數(shù)目。因此相關(guān)于取出效率的因素包括了組件材料本身的吸收、組件的幾何結(jié)構(gòu)、組件及封裝材料的折射率差及組件結(jié)構(gòu)的散射特性等。

而上述兩種效率的乘積，就是整個組件的發(fā)光效果，也就是組件的外部量子效率。早期組件發(fā)展集中在提升其內(nèi)部量子效率，方法主要是利用提高磊晶的質(zhì)量及改變磊晶的結(jié)構(gòu)，使電能不易轉(zhuǎn)換成熱能，進而間接提高LED的發(fā)光效率，而可獲得約70%左右的理論內(nèi)部量子效率。但是這樣的內(nèi)部量子效率幾乎已經(jīng)接近理論的極限，在這樣的狀況下，光靠提升組件的內(nèi)部量子效率是不可能提升組件的總光量，也就是外部量子效率達到目前的2～3倍，因此提升組件的取出效率便成為重要的課題。目前用于提升組件取出效率的方法，主要可以分為下列幾個方向：

晶粒外型的改變－TIP結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)發(fā)光二極管晶粒的制作為標準的矩型外觀。因為一般半導(dǎo)體材料折射系數(shù)與封裝環(huán)氧樹脂的差異大，而使