螢光燈具雖然具備較高的發(fā)光效能、較低的制造成本等優(yōu)點，但是因為螢光燈具的燈管中含汞，而且用于封裝螢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)成為各國政府發(fā)展的目標，而LED（lightemittingdiode），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)光二極管的發(fā)光原理
所謂的發(fā)光二極管其結(jié)構(gòu)基本上就是常規(guī)的p-n二極管，但其主要功能并不是用來整流，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空穴結(jié)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、晶格常量與發(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)光二極管的工藝技術(shù)
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，才不至于面對力的因素導致晶格缺陷，使得器件發(fā)出的光子被缺陷吸收，而大幅降低器件的發(fā)光效能。最早的III-V族半導體異構(gòu)磊晶（heteroepitaxy）是采用GaAs作基板，并在其上生成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，往往會通過調(diào)整二元、三元甚至四元材料的比率，這樣一方除了可以借助不同大小的多元原子的比例來匹配基片的晶格結(jié)構(gòu)外，也可通過調(diào)整半導體的能隙大小，來調(diào)整發(fā)光器件發(fā)光的波長，這樣的方法在磊晶參數(shù)的調(diào)整上也復雜許多，因此可以看出，磊晶技術(shù)可以說是半導體發(fā)光器件技術(shù)中的核心。
在磊晶方法提升的同時，磊晶的結(jié)構(gòu)也在持續(xù)地改良。最早的結(jié)構(gòu)當然是常規(guī)p-n接面的發(fā)光二極管，但是其發(fā)光效能并無法得到明顯地改善，因此利用單一異質(zhì)接面（SingleHeterojunction,SH）結(jié)構(gòu)的方法開始被使用在磊晶的工藝上，可以提高二極管中少數(shù)載子注入（minoritycarrierinjection）效能，因此發(fā)光效能獲得明顯地提升。之后又發(fā)展出雙異質(zhì)接面（DoubleHeterojunction,DH）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)兩邊的材料能隙高于中間者，因而可以非常有效的將雙邊的載子注入到中間層且將這些載子完全困在這一范圍內(nèi)，從而生成非常高的光電轉(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)十埃（A）時，電子或空穴即生成量子效應，從而可大幅提升光電轉(zhuǎn)換的效果。
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)光二極管也有這樣的需求，近年來有了明顯的進步。特別將GaN材料的發(fā)展歷史及演進、目前的發(fā)展整理如下。
GaN材料的發(fā)展——藍光發(fā)光二極管
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查找與GaN晶格常量相匹配的基板，造成磊晶中缺陷集成度過高，因此發(fā)光效能始終無法提升。另一個造成GaN無法獲得突破的原因在于器件的P-GaN部分生成不易，不但P-GaN的摻雜（doping）過低，而且其空穴的移動率（mobility）也較低。這樣，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，然后生成出的GaN才獲得較佳的結(jié)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（600oC）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（NichiaCo.）的研究員中村修二（S.Nakamura）利用低溫成長GaN的非結(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）摻雜的P-GaN，可得到明顯的P型GaN，之后日亞公司的中村修二又直接利用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、綠光二極管激光陸續(xù)被開發(fā)出來。
發(fā)光二極管效能的提升
發(fā)光二極管的發(fā)光效能一般稱為器件的外部量子效能（externalquantumefficiency），它是器件的內(nèi)部量子效能（internalquantumefficiency）與器件的取出效能（extractionefficiency）的乘積。所謂器件的內(nèi)部量子效能其實就是器件本身的電光轉(zhuǎn)換效能，主要與器件本身的特性如器件材料的能帶、缺陷、雜質(zhì)，及器件的磊晶組成及結(jié)構(gòu)等有關(guān)。而器件的取出效能指的則是器件內(nèi)部生成的光子，在經(jīng)過器件本身的吸收、折射、反射后實際上在器件外部可測量到的光子數(shù)目。因此相關(guān)于取出效能的因素包括了器件材料本身的吸收、器件的幾何結(jié)構(gòu)、器件及封裝材料的折射率差及器件結(jié)構(gòu)的散射特性等。而上述兩種效能的乘積，就是整個器件的發(fā)光效果，也就是器件的外部量子效能。早期器件的發(fā)展集中在提升其內(nèi)部量子效能，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)光效能，從而可獲得約70%左右的理論內(nèi)部量子效能。但是這樣的內(nèi)部量子效能幾乎已經(jīng)接近理論的極限，在這種狀況下，光靠提升器件的內(nèi)部量子效能是不可能提升器件的總光量的，也就是外部量子效能達到目前的兩到三倍，提升器件的取出效能便成為重要的課題。目前用于提升器件取出效能的方法，主要可以分為下列幾個方向：
晶粒外型的改變——TIP結(jié)構(gòu)
常規(guī)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，從而使交接口全反射臨界角小，而矩形的四個截面互相平行，光子在交接口離開半導體的機率變小，讓光子只能在內(nèi)部全反射直到被吸收殆盡，使光轉(zhuǎn)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)光效能的方法。HP公司所發(fā)展的TIP（Truncated-Inverted-Pyramid）型晶粒結(jié)構(gòu)，四個截面將不再是互相平行，而光就可很有效的被引出來，外部量子效能則大幅提升到55%，發(fā)光效能高達100流明/瓦，是第一個達到100lm/W的發(fā)光二極管（如圖3）。
然而HP的TIPLED只是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）基板的GaN系列發(fā)光二極管而言有相當?shù)睦щy。2001年初Cree公司使同樣的結(jié)構(gòu)概念（圖4），夾著其基板是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的LED，并將外部量子效能大幅提升到32%；然而SiC基板比Sapphire貴很多，因此目前在這一技術(shù)上，尚無進一步的進展。
表面粗化（surfaceroughness）
通過將器件的內(nèi)部及外部的幾何形狀粗化，破壞光線在器件內(nèi)部的全反射，提升器件的取出效能。這樣的方法最早是由日亞化學所提出的，其粗化方法基本上是在器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(jié)構(gòu)也依所在位置的不同分為兩種形式，一種是在器件內(nèi)設(shè)置凹凸形狀，另一種方式是在器件上方制作規(guī)則的凹凸形狀，并在器件背面設(shè)置反射層。由于使用常規(guī)工藝即可在GaN系化合物半導體層的接口設(shè)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的紫外線器件，可獲得43%的外部量子效能，取出效能為60%，為目前全球最高的外部量子效能與取出效能。
芯片粘貼技術(shù)（waferbonding）
因為發(fā)光二極管所生成的光線在經(jīng)過多次全反射后，大部分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AlGaInPLED的基板時，將使得發(fā)光二極管內(nèi)部的吸收損失變得更大，降低了器件的取光效能。為了減少基板對LED所發(fā)出光線的吸收，HP首先提出透明基板的粘貼技術(shù)。所謂的透明基板粘貼技術(shù)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，之后再將GaAs除去，如此便可將光線取出率提高兩倍。
上述的芯片粘貼技術(shù)目前主要還是應用在四元LED器件上，然而近來也開始將此技術(shù)運用在GaNLED上。OsramOptoSemiconductors在2003年2月也發(fā)表了新的研究成果——ThinGaN，可將藍光LED取光效能提升到75%，比常規(guī)提升了3倍。
覆晶封裝（Flipchip）
對于使用藍寶石基板（sapphiresubstrate）的GaN系列的材料而言，因為其P極及N極的電極必須做在器件的同一側(cè)，因此若使用常規(guī)的封裝方法，占器件大部分發(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flipchip結(jié)構(gòu)即是將常規(guī)的器件反置，并在p型電極上方制作反射率較高的反射層，借以將原先從器件上方發(fā)出的光線從器件其他的發(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(cè)的光損耗，可有接近于常規(guī)封裝方式兩倍左右的光量輸出。另一方面，因為覆晶結(jié)構(gòu)可直接通過電極或是凸塊與封裝結(jié)構(gòu)中的散熱結(jié)構(gòu)直接接觸，從而大幅提升器件的散熱效果，進一步提升器件的光量。
固態(tài)照明——白光發(fā)光二極管的發(fā)光原理
在各色LED發(fā)光效能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有三種，分別說明如下：
單晶藍光LED與黃光螢光粉
日亞公司在藍光發(fā)光半導體被成功開發(fā)出來之后，隨之開發(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，而是通過藍光發(fā)光二極管激發(fā)涂布在其上方的黃光YAG螢光粉，螢光粉被激發(fā)后生成的黃光與原先用于激發(fā)的藍光互補而生成白光。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螢光粉，而生成出555nm的黃光，而且已經(jīng)完全商品化，與其他幾家同樣在發(fā)展高亮度LED的大廠LumiledsLighting、Cree、豐田合成（ToyodaGosei）在LED市場上不斷在競爭。而隨著藍光晶粒發(fā)光效能的不斷提升以及YAG螢光粉合成技術(shù)的逐漸成熟，藍光晶粒與黃光螢光粉封裝的白光發(fā)光二極管為目前較成熟的白光發(fā)光二極管技術(shù)。
單晶型UVLED＋RGB螢光粉
雖然說利用藍光晶粒配合黃光YAG螢光粉的白光發(fā)光二極管封裝技術(shù)是目前較成熟的技術(shù)，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)黃光螢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、強度的變化及螢光粉涂布厚度的改變都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偏藍（或偏白），而旁邊的區(qū)域看起來較黃（螢光粉涂布較厚）。而每一顆白光發(fā)光二極管的顏色更不盡相同。
另一方面，發(fā)展此技術(shù)的日亞公司擁有大部分相關(guān)于藍光晶粒工藝技術(shù)與黃光YAG螢光粉相關(guān)白光發(fā)光二極管的專利，而日亞公司對于專利是采取寡占市場的態(tài)度，因此對于利用藍光晶粒配合黃光螢光粉生產(chǎn)白光發(fā)光二極管的廠商都是有苦難言。而利用藍光晶粒配上黃光螢光粉的白光發(fā)光二極管技術(shù)，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(shù)是目前各發(fā)光二極管廠商的重大課題。
UVLED配上三色（R、G、B）螢光粉提供了另一個研發(fā)方向。其方法主要是利用實際上不參與配出白光的UVLED激發(fā)紅、綠、藍三色螢光粉，通過三色螢光粉發(fā)出的三色光配成白光。這樣的方法因為UVLED不實際參與白光的配色，因此UVLED波長與強度的波動對于配出的白光而言不會特別的敏感。并可通過各色螢光粉的選擇及配比，調(diào)制出可接受色溫及演色性的白光。而在專利方面，利用UVLED＋RGB螢光粉相關(guān)的研發(fā)仍有相當?shù)陌l(fā)揮空間。但是這樣的技術(shù)雖然有種種的優(yōu)點，但是仍有相當?shù)募夹g(shù)難度，這些困難包括配合螢光粉紫外光波長的選擇（螢光粉最佳轉(zhuǎn)換效能的激發(fā)波長）、UVLED制作的難度及抗UV封裝材料的開發(fā)等等，都有待各研發(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，通過紅、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)過螢光粉的轉(zhuǎn)換，通過三色晶粒直接配成白光，除了可避免因為熒光粉轉(zhuǎn)換的損失而得到較佳的發(fā)光效能外，還可以通過分別控制三色發(fā)光二極管的光強度，達成全彩的變色效果（可變色溫），并可通過晶粒波長及強度的選擇得到較佳的演色性。但其缺點是混光困難，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，散熱問題更是其他種封裝類型的三倍，從而增加了其使用上的困難。目前利用多晶形RGBLED封裝類型的白光發(fā)光二極管約可得到25～30lm/W的效能。主要應用在散熱問題較不嚴重的戶外顯示板、戶外景觀燈、可變色洗墻燈等。但另一方面，若可通過電子電路控制的設(shè)計，利用多晶形RGBLED封裝類型的發(fā)光二極管很有可能成為替換目前使用CCFL的LCD背光模塊中背光源的主要光源之一。
散熱是白光led應用于照明的主要研究課題
雖然說隨著白光發(fā)光二極管發(fā)光效能的逐步提高，將白光發(fā)光二極管應用在照明的可能性也越來越大，但是很明顯單顆白光發(fā)光二極管其驅(qū)動電源均偏低，因此以目前的封裝類型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)。針對這個問題，目前主要的解決方法大致上可分為兩類，一類是比常規(guī)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(qū)動電源與一般所使用的相同（約為20-30mA）；另一種方法是目前幾個高亮度發(fā)光二極管制造商所使用的方法，即是使用所謂的大晶粒工藝，此時不再使用常規(guī)晶粒的大?。?.3mm），而是使晶粒工藝尺寸更大（0.6mu-1mm），并使用高驅(qū)動電流來驅(qū)動這樣的發(fā)光器件（一般為150-350mA，目前可高達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，若器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)品可靠度的問題外，晶粒的發(fā)光效能也會隨著溫度的上升而有明顯地下降，并造成其壽命明顯縮短。因此如何散去器件中的高熱，成為目前發(fā)光二極管封裝技術(shù)的重要課題。
對于發(fā)光二極管而言，最重要的便是輸出的光通量及光形，所以發(fā)光二極管其中一端一定不能遮光，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(shù)而言，其主要的散熱都是利用其發(fā)光二極管晶粒下方的金屬腳座（leadframe）來散去器件所發(fā)出的熱量。就目前的趨勢來看，金屬腳座材料的選擇主要是以高熱傳導系數(shù)的材料組成，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生成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)的中間材料作為間距。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的使用下仍能維持穩(wěn)定（如圖6）。
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（如圖7）。Lumileds基板所使用的材料是具有高傳導系數(shù)的銅材，再將其連接到特制的金屬電路板上，兼顧電路導通及增加熱傳出的效果。
除了Lumileds外，包括OsramOptoSemiconductors及日亞化學都已推出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)品來看，似乎大晶粒相關(guān)的工藝、封裝技術(shù)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(guān)的工藝及封裝技術(shù)不只是將晶粒面積做大而已，相關(guān)的工藝及封裝技術(shù)對于常規(guī)發(fā)光二極管廠商而言還是有著相當?shù)拈T檻，但是若希望將發(fā)光二極管推往高亮度照明領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)的研發(fā)仍為必經(jīng)的過程。
將技術(shù)化為量產(chǎn)
隨著近年來發(fā)光二極管發(fā)光效能逐步提升，將發(fā)光二極管作為發(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)光效能的同時，如何充分利用發(fā)光二極管的特性以及解決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。
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能仍有改善的空間，也就是說仍有相當程度的電能因為沒有轉(zhuǎn)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(shè)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)光二極管有與常規(guī)燈源完全不同的發(fā)光特性，除了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類型也會造成完全不同的發(fā)光光形，因此相對于發(fā)光二極管照明應用的設(shè)計將不能再簡單地在光源上套上聚光透鏡或是反射鏡，而是必須經(jīng)過更仔細的光學設(shè)計。在這些部分的研發(fā)，各公司及研發(fā)單位都有不同的方向，但是除了開發(fā)技術(shù)外，如何將這些技術(shù)量產(chǎn)化、降低這些固態(tài)光源的成本，更是未來幾年固態(tài)光源能否成為照明光源主流的關(guān)鍵
