《高效率白光LED技术动向》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高效率白光LED技术动向（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、高效率白光 LED 技術動向高弘毅前言 最近幾年 GaP、GaN -V 族(三五族) 混晶化合物半導體之可視光發光二極體(LED:Light Emitting Diode)的長晶、元件製程技術、物性評鑑方法都有大幅的進步，同時高效率紅色、琥珀色(amber)、綠色、藍色 LED 也相繼問世(圖 1)。 基本上 LED 的發光原理是利用半導體固有特性，它不同於以往的白炙燈管的放電、發熱發光原理，所以 LED 被稱為冷光源(cold light)。LED 具有高耐久性、壽命長、輕巧、耗電量低且不含水銀等有害物質，因此 LED 與照明設備業者對 LED 都寄與極大厚望。尤其是高亮度藍色 LED 與螢
2、光體(YAG:Ce)所構成的白光 LED 更被視為新世代省能源光源。除此之外紫外線(UV)LED 由於元件結構有革命性突破，外部量子效率( )超過 20%以上的 UV LED 與三波長螢光體所構成的白光 LED 也加入新世代光源的行列。 可視光 LED 技術動向 半導體 LED 的動作原理是將電流順向流入半導體的 p-n 時便會發出光線。AlGaInP 型 LED 在紅綠色領域屬於直接遷移型材料，所以可作成黃、橙、紅色等高效率 LED。為了達成高效率目的除了提高結晶性增加內部量子效率之外，光線取出技術(以下簡稱取光技術)與發光效率的改善都可增加 LED的實用效益。 一般的半導體 LED 的折射
3、率大於外部的折射率，換句話說半導體 LED 所產生的光線大部份都被半導體與外部(環氧樹脂:epoxy)的界面全反射回到半導體內部，全反射的光線則被活性層本身與電極、基板吸收。因此 LED chip 對外部的取光率遠低於內部的量子效率，以現階段的技術而言 LED 的外部取光率頂多祇有 30%。如果使用會吸收可視光的 GaAs 作為 AlGaInP LED 的基板時，由於長晶過程會使得 LED chip 內的吸收損失變的非常大，相對地的外部取光率便受到影響。為了減少基板的光線吸收因此改用透明基板粘貼技術，具體操作步驟是在 LED 長晶後先除去 GaAs，之後在高溫環境下施加壓力將透明狀且波長幾乎與
4、 LED 一致的 GaP 粘貼上去，如此便可提高二倍的光線取出率。 圖 1 可視光 LED 的效率發展動向圖 2 外形呈倒梯形結構狀的 LED(簡稱為 TIP LED:Truncated Inverted Pyramid LED)乃是針對取光效率所作的改善，圖 3 是 TIP LED 與傳統 LED 的取光效率比較，由圖可知波長 650nm 紅光 LED 的取光效率接近 55%，同樣是 TIP LED 波長 610nm 紅橙光 LED 視感效率為 100lm/W，它是目前發光效率最高的LED。圖 2 AlGaInP 系 TIP-LED 圖 3 TIP-LED 的外部量子效率與傳統型的比較白光
5、LED 技術動向 GaInN 型 LED 是在具絕緣性的藍寶石(sapphire)上長晶，因此可由上方長晶面取得 p 與 n 兩電極，由活性層所產生的光線是通過厚度極薄的 p 型電極取出，構造上與 AlGaAs 型或是 AlGaInP 型 LED 完全不同。自從 GaInN 型 LED 實用化後加上長晶技術的改善使得發光效率有明顯的增加，目前藍光與綠光 GaInN 型 LED 的發光效率已經從過去的 0.5lm/W 與 7lm/W 提高到 8lm/W 與 40lm/W(上述的發光效率是以 20mA 動作電流與典型的動作電壓值計算結果) 。 GaInN 型材料具有高密度結晶瑕疵，然而有關 GaI
6、nN 型 LED 的高發光效率動作機制仍不清楚。若單純從材料特性推測一般認為是載子(carrier)局部空間具備捕捉效果所造成，換言之從長晶條件與元件造型最佳化可反映載子局部空間的捕捉效果觀之，載子效應可能是提高 GaInN 型 LED 內部量子效率的關鍵要素。 此外 AlGaInP 型 LED 系列除了內部量子效率等因素之外，也可利用取光技術的改善提高 GaInN型的發光效率，例如 LED 雙穩態蕊片化(flip chip)後便可增加二倍輸出，圖 4 是 flip chip 的斷面圖與以往上方取光結果的比較，如圖所示傳統的 LED 結構是透過透明電極取光，所以會有電極的光損耗；flip ch
7、ip 的結構是以反射率極高的金屬作為 p 型的電極，並由藍寶石基板端緣取光因此電極的光損耗相對減少，目前 flip chip 結構的 LED 已經進入量產階段。 最近幾年使用螢光體與光觸媒作用所構成的紫外線 LED(UV LED)(波長 350390nm)的開發動向也備受關注，尤其是波長 382nm、外部量子效率 24%(動作電流 20mA 時)的 GaInN 型 LED 是在已作過凹凸加工的藍寶石上使用選擇性長晶 GaN 基板，因此大幅減低結晶的轉位密度並且提高內部量子效率，如果再加上 flip chip 結構則更加突顯取光效率，測試結果顯示低轉位密度可使效率提高 2.5 倍，flip chip 結構可使效率提高 1.7 倍，兩項技術加乘結果比傳統藍寶石側面取光多 4.5 倍的量子效率。 各專欄文章詳細內容請查看第二十一期雜誌各期報導
