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，對既有電器設備效率的提升及環(huán)保的研究亦投注相當?shù)男牧?。而在研發(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)光二極管其結構基本上就是傳統(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合而放光，其發(fā)光的特性可參考圖1。
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
對于半導體發(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，才不至于因應力的因素導致晶格缺陷，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族半導體異構磊晶(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基板上都有應力存在的問題。因此在光電材料中，往往會藉由調整二元、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構，也可因為調整半導體的能隙大小，而調整發(fā)光組件發(fā)光的波長，唯這樣的方法在磊晶參數(shù)的調整上也復雜許多，也因此可以看出，磊晶技術可以稱為半導體發(fā)光組件技術中的核心。
而在磊晶方法提升的同時，磊晶的結構也持續(xù)地在改良。最早的結構當然是傳統(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，因此利用單一異質接面(Single?Heterojunction, SH)結構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)展出雙異質接面(Double Heterojunction, DH)結構，這種結構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，而產(chǎn)生非常高的光電轉換效能。最新的方法當然是在磊晶層當中采用量子結構，當雙異質接面結構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，而可大幅提升光電轉換之效果。
在此所提的磊晶技術主要是針對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果。但是若希望獲得全彩的半導體光源，無論如何必須發(fā)展出藍、綠光波段的半導體發(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才獲得較佳的結晶，之后名古屋大學的赤崎勇教授(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。所謂組件的內部量子效率其實就是組件本身的電光轉換效率，主要與組件本身的特性如組件材料的能帶、缺陷、雜質及組件的磊晶組成及結構等相關。而組件的取出效率指的則是組件內部產(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、組件的幾何結構、組件及封裝材料的折射率差及組件結構的散射特性等。
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)展集中在提升其內部量子效率，方法主要是利用提高磊晶的質量及改變磊晶的結構，使電能不易轉換成熱能，進而間接提高LED的發(fā)光效率，而可獲得約70%左右的理論內部量子效率。但是這樣的內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結構
傳統(tǒng)發(fā)光二極管晶粒的制作為標準的矩型外觀。因為一般半導體材料折射系數(shù)與封裝環(huán)氧樹脂的差異大，而使交界面全反射臨界角小，而矩形的四個截面互相平行，光子在交界面離開半導體的機率變小，讓光子只能在內部全反射直到被吸收殆盡，使光轉成熱的形式，造成發(fā)光效果更不佳。因此，改變LED形狀是一個有效提升發(fā)光效率的方法。HP公司所發(fā)展的TIP(Truncated?Inverted?Pyramid)型晶粒結構，4個截面將不再是互相平行，而光就可很有效地被引出來，外部量子效率則大幅提升至55%，發(fā)光效率高達100流明/瓦，是第一個達到此目標的發(fā)光二極管(如圖3)。
然而HP的TIPLED只適用在易于加工的四元紅光發(fā)光二極管上，對于使用硬度極高的藍寶石(Sapphire)基板之GaN系列發(fā)光二極管而言有相當?shù)睦щy。2001年初，Cree公司用同樣的結構概念(圖4)，挾著其基板是SiC的優(yōu)勢，也成功將GaN/SiC發(fā)光二極管同樣作成具有斜面之LED，并將外部量子效率大幅提升至32%；然而SiC基板比Sapphire貴很多，因此目前在這一技術上，尚無進一步的進展。
表面粗化(surfaceroughness)技術
藉由將組件的內部及外部的幾何形狀粗化，破壞光線在組件內部的全反射，提升組件的使出效率。這樣的方法最早是由日亞化學所提出，其粗化方法基本上是在組件的幾何形狀上形成規(guī)則的凹凸形狀，而這種規(guī)則分布的結構也依所在位置的不同分為兩種形式，一種是在組件內設置凹凸形狀，另一種方式是在組件上方制作規(guī)則的凹凸形狀，并在組件背面設置反射層。由于使用傳統(tǒng)制程即可在GaN系化合物半導體層的界面設置凹凸形狀，因此上述第一種方式具有較高的實用性。目前若使用波長為405nm的紫外組件，可獲得43%外部量子效率，取出效率為60%，為目前全球最高的外部量子效率與取出效率。
芯片黏貼技術(waferbonding)
因為發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光線在經(jīng)過多次全反射后，大部份都被半導體材料本身與封裝材料所吸收。因此若使用會吸光的GaAs?作為AlGaInP?LED的基板時，將使得發(fā)光二極管內部的吸收損失變更大，而大幅降低組件的取光效率。為了減少基板對LED所發(fā)出光線的吸收，HP首先提出透明基板之粘貼技術。所謂的透明基板黏貼技術主要是將發(fā)光二極管晶粒先在高溫環(huán)境下施加壓力，并將透明的GaP基板粘貼上去，之后再將GaAs除去，如此便可提高二倍的光線取出率。
上述的芯片粘貼技術目前主要還是應用在四元LED組件上，然而近來也開始將此技術運用在GaN?LED上。Osram Opto Semiconductors在2003年2月也發(fā)表了新的研究成果－ThinGaN，可將藍光LED取光效率提升至75%，比傳統(tǒng)提升了3倍。
覆晶封裝技術(Flipchip)
對于使用藍寶石基板(sapphire substrate)的GaN系列的材料而言，因為其P極及N極的電極必須做在組件的同一側，因此若使用傳統(tǒng)的封裝方法，占組件大部分發(fā)光角度的上方發(fā)光面將會因為電極的擋光而損失相當程度的光量。所謂的Flip?Chip結構即是將傳統(tǒng)的組件反置，并在p型電極上方制作反射率較高的反射層，藉以將原先從組件上方發(fā)出的光線從組件其它的發(fā)光角度導出，而由藍寶石基板端緣取光(如圖5)。這樣的方法因為降低了在電極側的光損耗，可有接近于傳統(tǒng)封裝方式兩倍左右的光量輸出。另一方面，因為覆晶結構可直接藉由電極或是凸塊與封裝結構中的散熱結構直接接觸，而大幅提升組件的散熱效果，進一步提升組件的光量。
白光led成為舞臺焦點
在各色LED發(fā)光效率開始大幅提升的同時，將高亮度LED應用于照明的可能性也越來越高。而這樣應用的考慮在于如何開發(fā)出白光發(fā)光二極管。目前利用發(fā)光二極管配成白光的方法主要為3種，分別說明如下：
單晶藍光LED與黃光熒光粉
日亞公司在藍光發(fā)光半導體成功被開發(fā)出來之后，隨著開發(fā)出來的產(chǎn)品便是白光發(fā)光二極管。其實日亞公司的白光發(fā)光二極管并不是半導體材料本身直接發(fā)出白光，而是藉由藍光發(fā)光二極管激發(fā)涂布在其上方的黃光YAG熒光粉，熒光粉被激發(fā)后產(chǎn)生的黃光與原先用于激發(fā)的藍光互補而產(chǎn)生白光。目前日亞公司市售商品乃是利用460nm的InGaN藍光半導體激發(fā)YAG熒光粉，而產(chǎn)生出555nm的黃光，且已經(jīng)完全商品化，與其它幾家同樣在發(fā)展高亮度LED的大廠Lumileds Lighting、Cree、豐田合成(Toyoda Gosei)在LED市場上不斷在競合。而隨著藍光晶粒發(fā)光效率的不斷提升及YAG熒光粉合成技術的逐漸成熟，藍光晶粒與黃光熒光粉封裝的白光發(fā)光二極管為目前較成熟的白光發(fā)光二極管技術。
單晶型UVLED＋RGB熒光粉
雖然說利用藍光晶粒配合黃光YAG熒光粉的白光發(fā)光二極管封裝技術是目前較成熟的技術，但是利用這樣方法封裝出來的白光發(fā)光二極管有幾個嚴重的問題遲遲無法解決。首先是均勻度的問題，因為激發(fā)黃光熒光粉的藍光晶粒實際上參與白光的配色，因此藍光晶粒發(fā)光波長的偏移、強度的變化及熒光粉涂布厚度的改變均會影響白光的均勻度。最?？匆姷睦颖闶抢眠@種方式封成的白光發(fā)光二極管，中央的部分看起來較藍(或較白)，而旁邊的區(qū)域看起來較黃(熒光粉涂布較厚)，每一顆白光發(fā)光二極管的顏色更不盡相同。
另一方面，發(fā)展此技術的日亞公司擁有大部分相關于藍光晶粒制程技術與黃光YAG?熒光粉相關白光發(fā)光二極管的專利，而日亞公司對于專利是采取改寡占市場的態(tài)度，因此對于利用藍光晶粒配合黃光熒光粉生產(chǎn)白光發(fā)光二極管的廠商均是有苦難言。而利用藍光晶粒配上黃光熒光粉的白光發(fā)光二極管技術，更有白光色溫偏高、演色性偏低等問題。因此開發(fā)一個效果更好且沒有專利問題的技術是目前各發(fā)光二極管廠商的重大課題。
UV?LED配上三色(R、G、B)熒光粉提供了另一個方向研發(fā)方向。其方法主要是利用實際上不參與配出白光的UV LED激發(fā)紅、綠、藍三色熒光粉，藉由三色熒光粉發(fā)出的三色光配成白光。這樣的方法因為UV LED不實際參與白光的配色，因此UV?LED波長與強度的波動對于配出的白光而言不會特別的敏感。并可藉由各色熒光粉的選擇及配比，調制出可接受色溫及演色性的白光。而在專利方面，利用UV LED＋RGB熒光粉相關的研發(fā)仍有相當?shù)陌l(fā)揮空間。但是這樣的技術雖然有種種的優(yōu)點，但是仍有相當?shù)募夹g難度，這些困難包括了配合熒光粉紫外光波長之選擇(熒光粉最佳轉換效率之激發(fā)波長)、UV?LED制作的難度及抗UV封裝材料的開發(fā)等等，均待各研發(fā)單位一一去解決。
多晶型RGBLED
將發(fā)出紅、藍、綠三種顏色的晶粒，直接封裝在一起，藉由紅、綠、藍三色直接配成白光的方式，可制成白光發(fā)光二極管。利用三色晶粒直接封裝成白光二極管這種方法是最早用于制成白光的方式，其優(yōu)點是不需經(jīng)過熒光粉的轉換，藉由三色晶粒直接配成白光，除了可避免因為熒光粉轉換的損失而得到較佳的發(fā)光效率外，更可以藉由分開控制三色發(fā)光二極管的光強度，達成全彩的變色效果(可變色溫)，并可藉由晶粒波長及強度的選擇得到較佳的演色性。
但其缺點為混光困難，使用者在此光源前方各處可輕易觀察到多種不同的顏色，并在各遮蔽物后方看到彩色的影子。另外，因為所使用的三個晶粒都是熱源，散熱問題更是其它種封裝型式的3倍，而增加其使用上的困難。目前利用多晶形RGB?LED封裝型式的白光發(fā)光二極管約可得到25～30lm/W的效率。主要應用在散熱問題較不嚴重的戶外顯示廣告牌、戶外景觀燈、可變色洗墻燈等。但另一方面，若可藉由電子電路控制的設計，利用多晶形RGB LED封裝型式的發(fā)光二極管，很有機會成為取代目前使用CCFL的LCD背光模塊中背光源的主要光源之一。
白光LED必須通過散熱考驗
雖然說隨著白光發(fā)光二極管發(fā)光效率的逐步提高，將白光發(fā)光二極管應用在照明的可能性也越來越大，但是很明顯地，單顆白光發(fā)光二極管其驅動電源|穩(wěn)壓器均偏低，因此以目前的封裝型式是不太可能以單顆白光發(fā)光二極管來達到照明所需要的流明數(shù)。
針對于這個問題，目前主要的解決方法大致上可分為兩類，一類是較傳統(tǒng)地將多顆發(fā)光二極管利用組成光源模塊來使用，而其中每單顆發(fā)光二極管所需要的驅動電源與一般所使用的相同(約為20～30mA)；另種方法為目前幾個高亮度發(fā)光二極管制造商所使用的方法，即是使用所謂的大晶粒制程，此時不再使用傳統(tǒng)晶粒的大小(0.3mm2)，而將晶粒制程為更大的尺寸(0.6mm2～1mm2)，并使用高驅動電流來驅動這樣的發(fā)光組件(一般為150～350mA，目前更可高至500mA以上)。
但無論是使用何種方法，都會因為必須在極小的發(fā)光二極管封裝中處理極高的熱量，若組件無法散去這些高熱，除了各種封裝材料會因為彼此間膨脹系數(shù)的不同而有產(chǎn)品可靠度的問題，晶粒的發(fā)光效率更會隨著溫度的上升而有明顯地下降，并造成其受明顯地縮短。因此如何散去組件中的高熱，成為目前發(fā)光二極管封裝技術的重要課題。
對于發(fā)光二極管而言，其最重要的便是輸出的光通量及光形，所以發(fā)光二極管其中一端必定不能遮光，而需使用高透明效果的環(huán)氧樹脂材料包覆。然而目前的環(huán)氧樹脂幾乎都是不導熱材料，因此對于目前的發(fā)光二極管封裝技術而言，其主要的散熱均是利用其發(fā)光二極管晶粒下方的金屬腳座(leadframe)以散去組件所發(fā)出的熱量。
就目前的趨勢看來，金屬腳座材料的選擇主要是以高熱傳導系數(shù)的材料為組成，如鋁、銅甚至陶瓷材料等，但這些材料與晶粒間的熱膨脹系數(shù)差異甚大，若將其直接接觸很可能因為在溫度升高時材料間產(chǎn)生的應力而造成可靠度的問題，所以一般都會在材料間加上兼具傳導系數(shù)及膨脹系數(shù)的中間材料作為間隔。采用上述的觀念，松下電器于2003年將多顆發(fā)光二極管制成在金屬材料與金屬系復合材料所制成的多層基板模塊上以形成光源模塊，利用光源基板的高導熱效果，使光源的輸出在長時間使用下仍能維持穩(wěn)定。
同樣利用高散熱基板的想法，Lumileds將其應用在大面積晶粒的產(chǎn)品上。Lumileds基板所使用的材料為具有高傳導系數(shù)的銅材，再將其連接至特制之金屬電路板，兼顧電路導通及增加熱傳出之效果。
而除了Lumileds外，包括OsramOptoSemiconductors及日亞化學皆已推出1W以上大晶粒的產(chǎn)品(圖8、圖9)。從這些高亮度發(fā)光二極管制造商紛紛推出大晶粒、大功率的產(chǎn)品看來，似乎大晶粒相關的制程、封裝技術似乎已經(jīng)漸漸成為高亮度發(fā)光二極管的主流。然而大晶粒相關的制程及封裝技術不只是將晶粒面積做大而已，相關的制程及封裝技術對于傳統(tǒng)發(fā)光二極管廠商而言還是有著相當?shù)拈T坎，但是若希望將發(fā)光二極管推往高亮度照明領域，相關技術的研發(fā)仍為必經(jīng)之過程。
解決關鍵問題 LED前程似錦
隨著近年來發(fā)光二極管發(fā)光效率逐步提升，將發(fā)光二極管利用為發(fā)光光源的可能性也越來越高。但是在人們只考慮提升發(fā)光二極管發(fā)光效率的同時，如何充分利用發(fā)光二極管的特性、及將其應用在照明時可能會遇到的困難，已經(jīng)是各大照明廠目前的目標。目前已經(jīng)看到的困難包括了散熱問題，及發(fā)光二極管特殊發(fā)光光形的利用等。
在散熱方面，發(fā)光二極管雖然號稱為冷光源，但是因為目前其電光效率仍有相當改善的空間，也就是說仍有相當程度的電能因為沒有轉換成光而造成多余的熱能，這些熱能集中在晶粒尺寸大小時將造成嚴重的散熱問題。因此良好的散熱設計及散熱材料的開發(fā)為目前的重點。
而就發(fā)光二極管的發(fā)光光形而言，發(fā)光二極管有與傳統(tǒng)燈源完全不同的發(fā)光特性，除了是因為其晶粒本身極小的尺寸外，各種發(fā)光二極管不同的封裝型式更會造成完全不同的發(fā)光光形，因此相關于發(fā)光二極管照明應用的設計將不能再簡單地在光源上套上聚光透鏡或是反射鏡，而必須經(jīng)過更仔細的光學設計。在這部份，各公司及研發(fā)單位都有不同方向，但是除了開發(fā)技術外，如何將這些技術量產(chǎn)化，則是未來固態(tài)光源能否成為照明光源主流的關鍵。
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