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1、1旭明光電高亮度旭明光電高亮度 MvpLED 實現於固態照明之應用實現於固態照明之應用簡介：簡介： 氮化鎵 LED 目前廣泛應用於各種手持式設備、背光元件、相機閃光燈與全 彩戶外大型顯示器，但是傳統以藍寶石基板為主流之氮化鎵 LED 結構，其亮度 輸出不足，使其在固態照明市場的應用上有所侷限。這主要是因為 LED 的散熱 管理不佳與高功率晶片操作時無法負荷大電流的輸入。一般說來，LED 磊晶層 乃生長於不同之基板例如藍寶石基板或碳化矽基板。然而，由於藍寶石基板不 導電與導熱效率差，碳化矽基板成本相對較高，因此將氮化鎵 LED 製作在導電 與導熱的金屬基層上後，這些問題是可以克服的。這項技術為旭
2、明光電領先開 發，我們所開發的垂直型金屬基層 MvpLED (metal vertical photon LEDs，)，是 經由低成本量產程序，使用創新垂直型設計與先進的金屬合金層。這種 LED 發 光體與傳統藍寶石基板型式 LED 或覆晶封裝型 LED，相對具有眾多優點且在 驅動電流 350mA 時具有最佳發光效率的 LED。各種各種 LED 晶粒型式的比較：晶粒型式的比較：圖 1 所示為傳統型藍寶石基板之氮化鎵 LED，覆晶型式氮化鎵 LED 與垂 直型金屬基層 MvpLED。對於傳統型藍寶石基板之氮化鎵 LED 來說，由於藍寶 石基板不導電，所以必須將 p 型與 n 型電極製作於同一面，
3、n 型電極之製作為 藉由蝕刻方式，將 p 型氮化鎵與量子井發光結構區蝕刻，因此，在可作用發光 的區塊，就因此少了將近 20-30%。另外，傳統型藍寶石基板之氮化鎵 LED 之 電流傳輸，從正極到負極為水平流向，此時，電流容易在 n 型電極下方產生電 流擁擠現象，造成操作電壓上升並增加動態電阻而增加元件的溫度。還有一個 眾所皆知的特性是，由於 p 型氮化鎵材料的基本特性，電流無法在上面散佈開， 因此傳統型藍寶石基板之氮化鎵 LED 的 p 型氮化鎵上必需增加製作透明電極層 幫助電流分佈但是，透明電極層的製作又會吸光，降低發光亮度。再者，藍寶 石基板之傳導率較低(35W/mK)，所以其傳熱效率較差
4、，僅適合小電流操作。對於覆晶型式氮化鎵 LED 來說，一樣需將 p 型與 n 型電極製作於同一面， 發光區域一樣會減少，電流傳輸方向也是水平流向，依然有電流擁擠造成動態 電阻增加的現象。而且，由於覆晶的方法多以焊接方式製作，導熱效果與直接 接金屬基板的垂直型金屬基層 MvpLED 比起來較小。2Conventional LEDp-electroden-electrodetransparent contact layern-GaNp-GaN MQWsSapphire substrateSapphire substrateMvpLED structure Metal alloyed layersM
5、etal alloyed layersp p- -GaNGaNn n- -GaNGaNMQWMQWFlip Chip LEDp-electrodeSapphireSapphirep-GaNn-electroden-GaN MQWssoldersolderSubSub- -mountmount圖 1、各種型式之 LED 晶粒旭明光電垂直型金屬基層旭明光電垂直型金屬基層 MvpLED 技術優點：技術優點：我們以特有專利申請中的磊晶沉漬技術，此技術是 LED 在藍寶石基材上成 長額外的結構，此結構使得藍寶石基材可以移除。LED 在金屬基層上形成之後 （參考圖 2a） ，我們也在 n-GaN 表面上製
6、作圖案來克服氮化鎵材料內部的光全 反射損失，增加取光效率。旭明光電的垂直型金屬基層 MvpLED 技術克服了傳 統型與覆晶封裝型的效率不佳的問題，舉例而言，第一點，此技術並不需移除 n 型電極接腳上的任何東西，同尺寸晶粒下，傳統型藍寶石基板之氮化鎵 LED 相比較而言，其發光的面積較大。第二點，因為電源以垂直方向流經元件而大 幅降低動態電阻，而電流聚集也被可避免。再者，由於 n 型氮化鎵本身具有較 好的電傳導率，在無須製作透明電極層的情況下，依然具有很好的電流散佈， 因此沒有透明電極吸光而降低亮度的困擾，可具有較高亮度的光輸出。第三點， 由於垂直型金屬基層 MvpLED 之金屬基層具有很高的熱
7、傳導率，所以垂直型金 屬基層 MvpLED 的導熱效率很好。第四點，垂直型金屬基層 MvpLED 的出光 方向為單一方向，向上射出，而傳統型藍寶石基板之氮化鎵 LED 的出光方向確 有六個面向（參考圖 2b）來射出，因此不論在克服全反射效應的出光或於封裝 晶粒時將光收集的效應來看，垂直型金屬基層 MvpLED 具有最好的光取出與光 收集，達成最佳發光的效率。綜合以上所言，垂直型金屬基層 MvpLED 可以實 現固態照明應用上時之高工作電流與高功率操作之要求。3PassivationMetal AlloyFew side emissionPatterned SurfaceReflector (9
8、0%)Metal Alloy has best thermal conductivityn- bonding padReflector layerp - GaNn - GaN MQW圖 2a、旭明光電 MvpLED 結構型式示意圖MvpLEDInGaN/Sapphire LED圖 2b、MvpLED 與傳統型藍寶石基板 LED 發光出光示意圖MvpLED 元件優點：元件優點：圖 3 所示為各種不同基板之熱傳導率比較圖，相較於一般目前商業化所用 的晶粒基材，藍寶石、矽板、鍺、氮化鎵、碳化矽來說，MvpLED 之金屬基層 具有相對較高之熱傳導率，顯示具有更加的散熱能力。 我們已使用垂直型金屬 基層
9、 MvpLED 技術在 15mil, 24mil, 28 mil, 40 mil, 60 mil 不同晶粒尺寸的製作。 圖 4 所示為藍色、綠色及近紫外光的 40 mil 垂直型金屬基層 MvpLED 晶粒發光 照片圖。4Thermal Conductivity050100150200250300350400SapphireGeSiGaNSiCMetal Alloy SubstrateThermal Conductivity (W/m-K)050100150200250300350400SapphireGeSiGaNSiCMetal Alloy SubstrateThermal Conduct
10、ivity (W/m-K)圖 3、各種材料之熱傳導率比較表Blue 460nmUV 410nmGreen 525nm圖 4、藍色、綠色及近紫外光的 40 mil MvpLED卓越的卓越的 MvpLED 元件操作特性：元件操作特性：圖 5 為垂直型金屬基層 MvpLED 與傳統型藍寶石基板之氮化鎵 LED 之電 流-電壓(I-V)曲線。當順向偏壓驅動電流為 350mA 時，垂直型金屬基層 MvpLED 之順向電壓比統型藍寶石基板之氮化鎵 LED 之順向電壓少 0.2V。再 由曲線的斜率大小可以發現，垂直型金屬基層 MvpLED 之動態電阻只有0.7，此結果小於傳統型藍寶石基板之氮化鎵 LED 的
11、 1.1，這是因為傳統型5藍寶石基板之氮化鎵 LED 電流傳輸為水平方向而且電流會有在 n 型電極下的擁 擠現象所造成較大的動態電阻。值得一提的是，較小的操作電壓表示輸入功率 與光輸出功率所計算之發光效率可以提升。較低的操作動態電阻也顯示了有較 少的熱產生，優於傳統之設計。0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.00100200300400500600700800900100011001200130014001500160017001800Current (mA)Voltage (V)Mvp LEDConventional LEDon sapphire圖 5
12、、LED 電流-電壓(I-V)曲線圖 6 所示為輸入電流與輸出光亮度關係圖(L-I)，垂直型金屬基層 MvpLED 可以通 3000mA 的大電流(Pulse mode)，即使電流再增加也不會使輸出飽和，這 是因為此設計的金屬合金基層的導熱特性較佳所具有的優越表現。這種具有大 電流操作特性的元件來說，垂直型金屬基層 MvpLE 擁有最佳的散熱金屬基層， 容許大電流的操作。對於固態照明的應用來說，操作大電流以實現足夠照明亮 度的需求應用，垂直型金屬基層 MvpLED 實為固態照明應用上的首選。6050010001500200025003000010020030040050060070080090
13、01000110012001300140015001600Light output power (mW)Current (mA)Mvp LED圖 6、輸入電流與輸出光亮度關係圖(L-I)參考圖 7，經由製造不同尺寸的垂直型金屬基層 MvpLED 晶片並計算其歸 一化(相同電流密度)之單位輸出光亮度，我們證明了垂直型金屬基層 MvpLED 在不同尺寸上的優異表現。傳統型藍寶石基板之氮化鎵 LED 會有隨著晶片尺寸 增大而其效能於相同電流密度下卻反之下降，而這個現象在垂直型金屬基層 MvpLED 晶片並未出現，而且維持在同樣的發光效率。所以我們可以說，以單 一種垂直型金屬基層 MvpLED 的技術
14、，就可以實現在不同晶粒尺寸的製作技術。0500100015000.00.50.60.70.80.91.01.11.2Normalize efficiencyChip size (mmm)MvpLEDConventional LED on sapphire7圖 7、不同尺寸的 LED 晶片歸一化(相同電流密度)之單位輸出光亮度 MvpLED 元件可靠度分析與發光效率發展藍圖：元件可靠度分析與發光效率發展藍圖：圖八說明 40mil 的垂直型金屬基層 MvpLED 可靠度測試效果，此晶片是以 矽膠填充封裝(SMD type)並安裝在散熱鰭片上。這項測試分別以 350mA(SL-V- B40AC)與
15、700mA(SL-V-B40AC2)兩種驅動電流。我們可以達到 100 lm/W 的白 光 LED，在 3,000 小時的連續燒機測試後其光輸出功率只稍微下降了 10%。在 我們大多數客戶一般使用時的溫度為室溫情況下，可觀察到其光輸出功率並無 明顯的下降。0%20%40%60%80%100%120%050010001500200025003000Time (hr)Light Output0%20%40%60%80%100%120%050010001500200025003000Time (hr)Light Output700 mA350 mASL-V-B40AC 產產品品SL-V-B40AC2
16、 產產品品圖八、40mil MvpLED 可靠度測試02040608010012014016020012002200320042005200620072008200920102011201220132014Efficiency (lm/W)省電燈管 60-65 lm/W日光燈管 80-100 lm/W白熾燈泡 8-15 lm/W美美國國 NGL計計畫畫台台灣灣白白光光LED技技術術藍藍圖圖日日本本21世世紀紀照照明明計計畫畫韓韓國國下下世世代代LED計計畫畫旭旭明明光光電電白白光光LED發發展展藍藍圖圖 旭旭明明光光電電R&D實實驗驗室室資資料料旭旭明明光光電電研研發發計計畫畫圖九、旭明光電發光功率提升之發展藍圖已證實長時間的可靠度且有良好的散熱特性與 100 lm/W 的輸出功率，在在 顯示出垂直型金屬基層 MvpLED 晶片優於傳統型藍寶石基板之氮化鎵 LED。垂8直型金屬基層 MvpLED 已經目前以高良率地在量產製造中並且持續增加產出中。
