原创 高亮度发光二极管的应用前景

高亮度发光二极管的应用前景

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发光二极管一个很大的特点，是其具备低电流、低电压驱动的省电特性，而这样的特性在世界能源资源缺乏及各国针对绿色环保观念提升之际，特别吸引大家的注意。目前各国政府除了致力于新型能源的开发外，对既有电器设备效能的提升及环保的研究也投注了相当的心力。而在研发如何降低工业用电量的同时，目前普及率约80％的家电用品耗电量也逐渐受到重视。在照明方面，若使用目前发光效能较高的萤光灯具（66-75lm/W）替换常规使用的60W白炽灯泡，在每年点灯时间为3500小时的情况下来计算，一年约可节约电量约6.89亿度（约8.86万kW）。 
　　萤光灯具虽然具备较高的发光效能、较低的制造成本等优点，但是因为萤光灯具的灯管中含汞，而且用于封装萤光灯具的材料又以可吸收紫外线的玻璃为主，玻璃易碎的特性加上汞废料的不易回收，均会严重地造成环境的污染。因此欧盟已经明令将在2007年开始禁用这些含汞制品，也因此新型照明灯源的开发成为各国政府发展的目标，而LED（light emitting diode），也就是我们平常说的发光二极管，更是目前各国在照明方面发展的重点。 
发光二极管的发光原理 
　　所谓的发光二极管其结构基本上就是常规的p-n二极管，但其主要功能并不是用来整流，而是利用其在加上正偏压后电流通过pn接面时，促使接面部分的电子空穴结合而放光，其发光的特性可参考图1。 
　　而发光二极管所发出光的波长除了决定于二极管所用半导体材料的波长外，也取决于不同材料间的混合比例。图2为

各发光材料能带、晶格常量与发光波长间的关系，可以看出目前红、黄、绿光主要是以InGaAlP材料为主，而蓝、绿光则是以InGaN材料为主。 
发光二极管的工艺技术 
　　对于半导体发光二极管而言，晶格的匹配是一个重大的课题，因为对于大部分III-V族半导体而言，并没有刚好适合的基板（substrate）可承载上方的磊晶层，而成长的磊晶层其晶格大小必须与基板的晶格匹配，才不至于面对力的因素导致晶格缺陷，使得器件发出的光子被缺陷吸收，而大幅降低器件的发光效能。最早的III-V族半导体异构磊晶（heteroepitaxy）是采用GaAs作基板，并在其上生成GaAlAs的磊晶层，因为这两种材料的晶格非常近似，所以磊晶层与基片之间的应力极小，因此研发过程中并无发生太大的困扰。但是后来陆续发展出来的磊晶如GaAs1-xPx成长在GaAs基板上或是GaAsxP1-x成长在GaP基板上都有应力存在的问题。因此在光电材料中，往往会通过调整二元、三元甚至四元材料的比率，这样一方除了可以借助不同大小的多元原子的比例来匹配基片的晶格结构外，也可通过调整半导体的能隙大小，来调整发光器件发光的波长，这样的方法在磊晶参数的调整上也复杂许多，因此可以看出，磊晶技术可以说是半导体发光器件技术中的核心。 
　　在磊晶方法提升的同时，磊晶的结构也在持续地改良。最早的结构当然是常规p-n接面的发光二极管，但是其发光效能并无法得到明显地改善，因此利用单一异质接面（Single Heterojunction,SH）结构的方法开始被使用在磊晶的工艺上，可以提高二极管中少数载子注入（minority carrier injection）效能，因此发光效能获得明显地提升。之后又发展出双异质接面（Double Heterojunction,DH）结构，这种结构两边的材料能隙高于中间者，因而可以非常有效的将双边的载子注入到中间层且将这些载子完全困在这一范围内，从而生成非常高的光电转换效能。最新的方法当然是在磊晶层当中采用量子结构，当双异质接面结构的中间层厚度逐渐缩小到数十埃（A）时，电子或空穴即生成量子效应，从而可大幅提升光电转换的效果。在此所提的磊晶技术主要是针对III-V族材料中发光波长集中在红、黄光波段材料的GaAs系列。这系列的发光二极管发展较早，也较早获得较佳的结果。但是若希望获得全彩的半导体光源，无论如何必须发展出蓝、绿光波段的半导体发光二极管，而GaN系列的发光二极管也有这样的需求，近年来有了明显的进步。特别将GaN材料的发展历史及演进、目前的发展整理如下。 
GaN材料的发展——蓝光发光二极管 
　　应用于蓝、绿光发光二极管的材料，早期主要是ZnSe及GaN。因为ZnSe有可靠度的问题，因此才让GaN有更大的发展空间。只是早期GaN的研究迟迟未能获得明显的进展，主要是因为一直无法查找与GaN晶格常量相匹配的基板，造成磊晶中缺陷集成度过高，因此发光效能始终无法提升。另一个造成GaN无法获得突破的原因在于器件的P-GaN部分生成不易，不但 P-GaN的掺杂（doping）过低，而且其空穴的移动率（mobility）也较低。这样，一直到1983年日本的田贞史（S.Yoshida）等人在蓝宝石（Sapphire）基板上先用高温成长氮化铝（AlN）当作缓冲层，然后生成出的GaN才获得较佳的结晶，之后名古屋大学的赤崎勇教授 （I. Akasaki）等人利用MOCVD在低温下（600oC）先成长AlN缓冲层，而得到其上方在高温成长后

如镜面般的GaN。1991年日亚公司（Nichia Co.）的研究员中村修二 （S.Nakamura）利用低温成长GaN的非结晶缓冲层，再以高温成长得到同为镜面般的GaN，此时磊晶部分的问题已经获得重大的突破。另一方面，1989年赤崎勇教授利用电子束照射镁（Mg）掺杂的P-GaN，可得到明显的P型GaN，之后日亚公司的中村修二又直接利用<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />700℃的热退火完成P型GaN的制作，至此困扰GaN发展的两个重大问题终获得突破。 
　　1993年，日亚公司利用上面的两项研究，成功开发出可发出一烛光（Candela）的GaN蓝光发光二极管，其寿命达数万小时。而后绿光发光二极管、蓝、绿光二极管激光陆续被开发出来。 
发光二极管效能的提升 
　　发光二极管的发光效能一般称为器件的外部量子效能（external quantum efficiency），它是器件的内部量子效能（internal quantum efficiency）与器件的取出效能（extraction efficiency）的乘积。所谓器件的内部量子效能其实就是器件本身的电光转换效能，主要与器件本身的特性如器件材料的能带、缺陷、杂质，及器件的磊晶组成及结构等有关。而器件的取出效能指的则是器件内部生成的光子，在经过器件本身的吸收、折射、反射后实际上在器件外部可测量到的光子数目。因此相关于取出效能的因素包括了器件材料本身的吸收、器件的几何结构、器件及封装材料的折射率差及器件结构的散射特性等。而上述两种效能的乘积，就是整个器件的发光效果，也就是器件的外部量子效能。早期器件的发展集中在提升其内部量子效能，方法主要是利用提高磊晶的质量及改变磊晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高LED的发光效能，从而可获得约70%左右的理论内部量子效能。但是这样的内部量子效能几乎已经接近理论的极限，在这种状况下，光靠提升器件的内部量子效能是不可能提升器件的总光量的，也就是外部量子效能达到目前的两到三倍，提升器件的取出效能便成为重要的课题。目前用于提升器件取出效能的方法，主要可以分为下列几个方向： 
晶粒外型的改变——TIP结构 
　　常规发光二极管晶粒的制作为标准的矩型外观。因为一般半导体材料折射系数与封装环氧树脂的差异大，从而使交接口全反射临界角小，而矩形的四个截面互相平行，光子在交接口离开半导体的机率变小，让光子只能在内部全反射直到被吸收殆尽，使光转成热的形式，造成发光效果更不佳。因此，改变LED形状是一个有效提升发光效能的方法。HP公司所发展的TIP （Truncated-Inverted- Pyramid）型晶粒结构，四个截面将不再是互相平行，而光就可很有效的被引出来，外部量子效能则大幅提升到55%，发光效能高达100流明/瓦，是第一个达到100lm/W的发光二极管（如图3）。 
　　然而HP的TIP LED只是用在易于加工的四元红光发光二极管上，对于使用硬度极高的蓝宝石（Sapphire）基板的GaN系列发光二极管而言有相当的困难。2001年初Cree公司使同样的结构概念（图4），夹着其基板是SiC的优势，也成功将GaN/SiC 发光二极管同样作成具有斜面的LED，并将外部量子效能大幅提升到32%；然而SiC基板比Sapphire贵很多，因此目前在这一技术上，尚无进一步的进展。 
表面粗化（surface roughness）通过将器件的内部及外部的几何形状粗化，破坏

件内部的全反射，提升器件的取出效能。这样的方法最早是由日亚化学所提出的，其粗化方法基本上是在器件的几何形状上形成规则的凹凸形状，而这种规则分布的结构也依所在位置的不同分为两种形式，一种是在器件内设置凹凸形状，另一种方式是在器件上方制作规则的凹凸形状，并在器件背面设置反射层。由于使用常规工艺即可在GaN系化合物半导体层的接口设置凹凸形状，因此上述第一种方式具有较高的实用性。目前若使用波长为405nm的紫外线器件，可获得43%的外部量子效能，取出效能为60%，为目前全球最高的外部量子效能与取出效能。 
芯片粘贴技术（wafer bonding） 
　　因为发光二极管所生成的光线在经过多次全反射后，大部分都被半导体材料本身与封装材料所吸收。因此若使用会吸光的GaAs作为AlGaInP LED的基板时，将使得发光二极管内部的吸收损失变得更大，降低了器件的取光效能。为了减少基板对LED所发出光线的吸收，HP首先提出透明基板的粘贴技术。所谓的透明基板粘贴技术主要是将发光二极管晶粒先在高温环境下施加压力，并将透明的GaP基板粘贴，之后再将GaAs除去，如此便可将光线取出率提高两倍。 
　　上述的芯片粘贴技术目前主要还是应用在四元LED器件上，然而近来也开始将此技术运用在GaN LED上。Osram Opto Semiconductors在2003年2月也发表了新的研究成果——ThinGaN，可将蓝光LED取光效能提升到75%，比常规提升了3倍。 
覆晶封装（Flip chip） 
　　对于使用蓝宝石基板（sapphire substrate）的GaN系列的材料而言，因为其P极及N极的电极必须做在器件的同一侧，因此若使用常规的封装方法，占器件大部分发光角度的上方发光面将会因为电极的挡光而损失相当程度的光量。所谓的flip chip结构即是将常规的器件反置，并在p型电极上方制作反射率较高的反射层，借以将原先从器件上方发出的光线从器件其他的发光角度导出，而由蓝宝石基板端缘取光（如图5）。这样的方法因为降低了在电极侧的光损耗，可有接近于常规封装方式两倍左右的光量输出。另一方面，因为覆晶结构可直接通过电极或是凸块与封装结构中的散热结构直接接触，从而大幅提升器件的散热效果，进一步提升器件的光量。 
固态照明——白光发光二极管的发光原理 
　　在各色LED发光效能开始大幅提升的同时，将高亮度LED应用于照明的可能性也越来越高。而这样应用的考虑在于如何开发出白光发光二极管。 
　　目前利用发光二极管配成白光的方法主要有三种，分别说明如下： 
    单晶蓝光LED与黄光萤光粉 
　　日亚公司在蓝光发光半导体被成功开发出来之后，随之开发出来的产品便是白光发光二极管。其实日亚公司的白光发光二极管并不是半导体材料本身直接发出白光，而是通过蓝光发光二极管激发涂布在其上方的黄光YAG萤光粉，萤光粉被激发后生成的黄光与原先用于激发的蓝光互补而生成白光。目前日亚公司市售商品乃是利用460nm的InGaN蓝光半导体激发YAG萤光粉，而生成出555nm的黄光，而且已经完全商品化，与其他几家同样在发展高亮度LED的大厂Lumileds Lighting、Cree、丰田合成（Toyoda Gosei）在LED市场上不断在竞争。而随着蓝光晶粒发光效能的不断提升以及YAG萤光粉合成技术的逐渐成熟，蓝光晶粒与黄光萤光粉封装的白光发光二极管为目前较成熟的白光发光二极管技术。 
单晶型UV LED＋RGB萤光粉 
　　虽然说利用蓝光晶粒配合黄光YAG萤光粉的白光发光二极管封装技术是目前较成熟的技术，但是利用这样方法封装出来的白光发光二极管有几个严重的问题迟迟无法解决。 
　　首先是均匀度的问题，因为激发黄光萤光粉的蓝光晶粒实际上参与白光的配色，因此蓝光晶粒发光波长的偏移、强度的变化及萤光粉涂布厚度的改变都会影响白光的均匀度。最常看见的例子便是利用这种方式封成的白光发光二极管中央的部分看起来偏蓝（或偏白），而旁边的区域看起来较黄（萤光粉涂布较厚）。而每一颗白光发光二极管的颜色更不尽相同。 
另一方面，发展此技术的日亚公司拥有大部分相关于蓝光晶粒工艺技术与黄光YAG萤光粉相关白光发光二极管的专利，而日亚公司对于专利是采取寡占市场的态度，因此对于利用蓝光晶粒配合黄光萤光粉生产白光发光二极管的厂商都是有苦难言。而利用蓝光晶粒配上黄光萤光粉的白光发光二极管技术，更有白光色温偏高、演色性偏低等问题。因此开发一个效果更好且没有专利问题的技术是目前各发光二极管厂商的重大课题。 
　　UV LED配上三色（R、G、B）萤光粉提供了另一个研发方向。其方法主要是利用实际上不参与配出白光的UV LED激发红、绿、蓝三色萤光粉，通过三色萤光粉发出的三色光配成白光。这样的方法因为UV LED不实际参与白光的配色，因此UV LED波长与强度的波动对于配出的白光而言不会特别的敏感。并可通过各色萤光粉的选择及配比，调制出可接受色温及演色性的白光。而在专利方面，利用UV LED＋RGB萤光粉相关的研发仍有相当的发挥空间。但是这样的技术虽然有种种的优点，但是仍有相当的技术难度，这些困难包括配合萤光粉紫外光波长的选择（萤光粉最佳转换效能的激发波长）、UV LED制作的难度及抗UV封装材料的开发等等，都有待各研发单位一一去解决。 
多晶型RGB LED 
　　将发出红、蓝、绿三种颜色的晶粒直接封装在一起，通过红、绿、蓝三色直接配成白光的方式，可制成白光发光二极管。利用三色晶粒直接封装成白光二极管这种方法是最早用于制成白光的方式，其优点是不需经过萤光粉的转换，通过三色晶粒直接配成白光，除了可避免因为荧光粉转换的损失而得到较佳的发光效能外，还可以通过分别控制三色发光二极管的光强度，达成全彩的变色效果（可变色温），并可通过晶粒波长及强度的选择得到较佳的演色性。但其缺点是混光困难，使用者在此光源前方各处可轻易观察到多种不同的颜色，并在各遮蔽物后方看到彩色的影子。另外，因为所使用的三个晶粒都是热源，散热问题更是其他种封装类型的三倍，从而增加了其使用上的困难。目前利用多晶形RGB LED封装类型的白光发光二极管约可得到25～30 lm/W的效能。主要应用在散热问题较不严重的户外显示板、户外景观灯、可变色洗墙灯等。但另一方面，若可通过电子电路控制的设计，利用多晶形RGB LED封装类型的发光二极管很有可能成为替换目前使用CCFL的LCD背光模块中背光源的主要光源之一。 
散热是白光LED应用于照明的主要研究课题 
　　虽然说随着白光发光二极管发光效能的逐步提高，将白光发光二极管应用在照明的可能性也越来越大，但是很明显单颗白光发光二极管其驱动电源均偏低，因此以目前的封装类型是不太可能以单颗白光发光二极管来达到照明所需要的流明数。针对这个问题，目前主要的解决方法大致上可分为两类，一类是比常规地将多颗发光二极管利用组成

光源模块来使用，而其中每单颗发光二极管所需要的驱动电源与一般所使用的相同（约为20-30mA）；另一种方法是目前几个高亮度发光二极管制造商所使用的方法，即是使用所谓的大晶粒工艺，此时不再使用常规晶粒的大小（0.3mm），而是使晶粒工艺尺寸更大（0.6mu-1mm），并使用高驱动电流来驱动这样的发光器件（一般为150-350mA，目前可高达500mA以上）。但无论是使用何种方法，都会因为必须在极小的发光二极管封装中处理极高的热量，若器件无法散去这些高热，除了各种封装材料会因为彼此间膨胀系数的不同而有产品可靠度的问题外，晶粒的发光效能也会随着温度的上升而有明显地下降，并造成其寿命明显缩短。因此如何散去器件中的高热，成为目前发光二极管封装技术的重要课题。 
　　对于发光二极管而言，最重要的便是输出的光通量及光形，所以发光二极管其中一端一定不能遮光，而需使用高透明效果的环氧树脂材料包覆。然而目前的环氧树脂几乎都是不导热材料，因此对于目前的发光二极管封装技术而言，其主要的散热都是利用其发光二极管晶粒下方的金属脚座（leadframe）来散去器件所发出的热量。就目前的趋势来看，金属脚座材料的选择主要是以高热传导系数的材料组成，如铝、铜甚至陶瓷材料等，但这些材料与晶粒间的热膨胀系数差异甚大，若将其直接接触很可能因为在温度升高时材料间生成的应力而造成可靠度的问题，所以一般都会在材料间加上兼具传导系数及膨胀系数的中间材料作为间距。采用上述的观念，松下电器于2003年将多颗发光二极管制成在金属材料与金属系复合材料所制成的多层基板模块上以形成光源模块，利用光源基板的高导热效果，使光源的输出在长时间的使用下仍能维持稳定（如图6）。 
　　同样利用高散热基板的想法，Lumileds将其应用在大面积晶粒的产品上（如图7）。Lumileds基板所使用的材料是具有高传导系数的铜材，再将其连接到特制的金属电路板上，兼顾电路导通及增加热传出的效果。 
　　除了Lumileds外，包括Osram Opto Semiconductors及日亚化学都已推出1W以上大晶粒的产品（图8、图9）。从这些高亮度发光二极管制造商纷纷推出大晶粒、大功率的产品来看，似乎大晶粒相关的工艺、封装技术似乎已经渐渐成为高亮度发光二极管的主流。然而大晶粒相关的工艺及封装技术不只是将晶粒面积做大而已，相关的工艺及封装技术对于常规发光二极管厂商而言还是有着相当的门槛，但是若希望将发光二极管推往高亮度照明领域，相关技术的研发仍为必经的过程。 

将技术化为量产 
　　随着近年来发光二极管发光效能逐步提升，将发光二极管作为发光光源的可能性也越来越高。但是在人们只考虑提升发光二极管发光效能的同时，如何充分利用发光二极管的特性以及解决将其应用在照明时可能会遇到的困难，已经是各大照明厂目前的目标。目前的困难包括散热问题，以及发光二极管特殊发光光形的利用等。 
　　在散热方面，发光二极管虽然号称为冷光源，但是因为目前其电光效能仍有改善的空间，也就是说仍有相当程度的电能因为没有转换成光而造成多余的热能，这些热能集中在晶粒尺寸大小时将造成严重的散热问题。因此良好的散热设计及散热材料的开发为目前的重点。 
　　而就发光二极管的发光光形而言，发光二极管有与常规灯源完全不同的发光特性，除了因为其晶粒本身极小的尺寸外，各种发光二极管不同的封装类型也会造成完全不同的发光光形，因此相对于发光二极管照明应用的设计将不能再简单地在光源上套上聚光透镜或是反射镜，而是必须经过更仔细的光学设计。在这些部分的研发，各公司及研发单位都有不同的方向，但是除了开发技术外，如何将这些技术量产化、降低这些固态光源的成本，更是未来几年固态光源能否成为照明光源主流的关键