高效率白光led技术动向

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1、高效率白光LED技術動向高弘毅～前言～最近幾年GaP、GaNⅢ-V族(三五族)混晶化合物半導體之可視光發光二極體(LED:LightEmittingDiode)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(coldlight)。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與螢光體(YAG:

2、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UVLED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的折射率大於外部的折射率，換句話說半導

3、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LEDchip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AlGaInPLED的基板時，由於長晶過程會使得LEDchip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LED一致的GaP粘貼上去，如此便可提高

4、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TIPLED:TruncatedInvertedPyramidLED)乃是針對取光效率所作的改善，圖3是TIPLED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TIPLED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2AlGaInP系TIPＰ-LED　                     圖3TI

5、P-LED的外部量子效率與傳統型的比較‧白光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，

6、然而有關GaInN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(flipchip)後便可增加二倍輸出，圖4是flipchip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

7、chip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flipchip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(UVLED)(波長350～390nm)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flipchip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，flipchip結構可使

8、效率提高1