淺介固態照明的核心元件：發光二極體(LED)

前言

1907年Henry Joseph Round成功地研製出第一顆SiC發光二極體，雖然此元件效率低，且其結構屬於蕭基形式的發光二極體(Schottky diode)，但是此發明開啟人類在固態光源領域的一道曙光，從此之後，人們便一直致力於固體光源之實現(圖一為全世界第一篇LED論文)，緊接著，在1962年Nick Holonyak Jr.成功地發展出第一款能夠實際應用的可見光發光二極體，此發光二極體是首次導入pn接面結構，其效率也比蕭基形式的發光二極體來的好，這重大的突破使得可見光發光二極體的進展更是突飛猛進的快速(圖二為Nick Holonyak Jr.與John Bardeen的合照)，至此Prof. Holonyak被譽為可見光LED與雷射二極體(LD)之父，隨著LED製造工藝的不斷進步和新型材料（氮化物晶體和螢光粉）的開發，終於使得可以發白色光的LED得以問世並進入實用階段。

白光LED的發展關鍵即立基於藍光LED技術，所以早在1938年有關藍光材料及元件之研究就已經開始進行，但是直到1971年時，美國廣播公司(Radio Corporation of America，RCA)的Pankove先生才成功研製出第一顆蕭基接面的氮化鎵(GaN)藍光發光二極體，當時因為p-type GaN不易獲得，所以無法成功地研製pn接面之發光二極體。在1981年時，日本名古屋大學Akasaki教授一樣使用蕭基接面結構成功地展示發光效率為0.2%與發光強度為10 mcd之GaN發光二極體元件，此元件為第一顆以flip-chip形式封裝的發光二極體。直到1988年，Akasaki利用低能量電子束(LEEBI)照射摻雜鎂(Mg)的GaN薄膜而使鎂原子活化，因而獲得p-type的GaN薄膜，至此整個pn接面之GaN藍光發光二極體之發展有了重大突破，這也是全世界第一顆pn接面結構的藍光LED，至此開始，藍光LED正式被導入pn接面的結構 (圖三為Prof. Akasaki獲頒Kyoto Prize)。建立在Akasaki研究成果，在1989年，日亞化學公司(Nichia Chemicals)的Nakamura（中村修二）博士才開始進行氮化鎵之研究。1990年Nakamura博士率先以獨創的雙流路(Two-flow)之有機金屬氣相沈積法來成長高品質的GaN薄膜。1991年Nakamura博士將剛成長出的Mg摻雜的GaN薄膜經直接熱處理，而不採用Akasaki教授所用的低能量電子束照射方法，在同年3月即研製出PN同質接面的發光二極體。隨後在1992年Nakamura博士又成功地成長InGaN薄膜，在1992年12月Nakamura博士研製出高功率雙異質接面GaN發光二極體；接著嚐試成長單量子井(single QW)結構及多量子井(MQW)結構的發光二極體，以AlGaN或GaN為侷限層，於1994年及1995年，陸續發表了亮度2cd之藍光及綠光發光二極體，且在1995年宣布大量出售藍綠光之發光二極體（圖四為Nakamura博士及其研究發表）。

隨著LED的普及再加上白光LED的出現，使得高亮度LED之應用領域跨足至高效率照明光源市場。一般認為，高亮度LED是人類繼愛迪生發明白熾燈泡之後，在照明領域最偉大的發明之一。

有鑑於近年來歐美及日本等國基於節能與環保之共識，白光發光二極體(LED)已成為二十一世紀照明的新光源，歐、美、日等國內與照明有關的大公司，如奇異、飛利浦、惠普、Toyoda Gosel、Nichia、Cree、OSRAM、lumileds等均已積極投入研發工作，其中，對於十分依賴能源進口的國家如日本，依其日本官方的調查，若是其100%的白熾燈泡被白光LED所取代，則每年可節省相當於5座核能發電廠的發電量，對於溫室效應的抑制有很大的幫助。因此白光LED的技術研發於日本的未來發展有著極其重要的影響和地位，日本通產省早在1998年就主導編制了「21世紀光計畫」，針對新世紀照明用LED光源進行實用化研究。綜合上述，欲使白光發光二極體普及至室內的照明，降低白光發光二極體的成本與提升效率乃刻不容緩之事。然而，白光的照明關鍵元件為藍紫光發光二極體，換句話說，開發出高效率與低成本之藍紫光發光二極體元件，對於白光發光二極體的普及將是一股很大的助力。

LED發光原理

在半導體材料，IV族元素的矽與鍺是最早被使用的材料，如表一為熟知的半導體元素表，矽為大家最熟知的半導體材料，然而矽屬於間接能隙材料，導致發光效率非常低，因此，矽只能用在電子元件的製作。換句話說，使用在發光元件上最佳的選擇為直接能隙材料，再者，III-V族材料大都為直接能隙，因此是目前最為廣泛使用的光電半導體材料，如氮化銦鎵、氮化鋁鎵、氮化鎵、砷化鎵、磷化銦、磷化砷鎵等材料。

其中，間接能隙(Indirect band-gap)是指電子吸收了外加能量以後可以由價電(Valence band)帶跳躍到導電帶(Conduction band)，但是電子只能透過動量轉移由導電帶落回價電帶，關於此機制可以想像成在能隙中有一個可以讓電子停留的位置，如圖五(b)所示，當電子由導電帶落回價電帶時，會先在這個位置上停留一下，將大部分的能量轉換為熱能以後，再落回價電帶，由於大部分的能量已經轉換成熱能，根據能量守恆定律，這個電子所剩下的光能就很少了，因此最後能夠釋放出來的光能很少，所以發光效率很低。反之，直接能隙(Direct band-gap)是指電子吸收了外加能量以後可以由價電帶跳躍到導電帶，而且電子可以直接由導電帶落回價電帶，因此能量可以完全以光能的型式釋放出來，如圖五(a)所示，所以發光效率很高。

LED的架構可以想成n-type半導體與p-type半導體接合在一起所形成，在n-type與p-type半導體的兩端分別鍍上金屬形成歐姆接觸，如圖六所示，其中n-type與p-type半導體可以藉由摻雜技術形成。

當pn接面形成且沒有外加偏壓時，載子在空間中的分布就已經不是很均勻了，在p-type半導體中的多數載子電洞會向n-type半導體中擴散，在n-type半導體中的多數載子電子會向p-type半導體中擴散，如圖七(a)所示。由於帶電載體的移動，原本每個位置都保持電中性的特性便會被破壞，n-type半導體中靠近接面的區域會帶正電，p-type半導體中靠近接面的區域會帶負電。電洞進入n-type半導體中，或電子進入p-type半導體中都會產生復合，電子電洞同時消失，半導體中就只剩下帶電的摻雜離子，亦即，在p-type區域是帶負電的受子離子，在n-type區域是帶正電的施子離子，兩者的帶電量大小是相同的，如圖七(b)所示。這兩個帶電的離子區會集中在pn接面的兩側，如此可使系統的電位能降到最低。這時，帶正電與負電的離子在pn接面附近產生一電場，所導致的漂移電子流（或電洞流），其方向都和擴散電子流（或電洞流）相反。圖七(c)顯示電子和電洞不同種類電流的方向。當pn接面在沒有外加偏壓的情況下到達平衡時，在任一位置的漂移和擴散電子流（電洞流）完全抵銷，總電子流和總電洞流均為零。綜合上述，在沒有任何外加偏壓的情況下，當pn接面達成熱平衡後，其大致上可以分為三個區域，包括維持電中性的n-type區與p-type區，以及有電場分布的空乏區(depletion region)。

當pn接面加入順向偏壓時，如圖八所示，p-type的多數載子電洞會往n-type移動，而n-type的多數載子電子則往p-type移動，最後電子與電洞兩載子會在pn接面之空乏區復合，此時因電子由傳導帶移轉至價電帶後喪失能階，同時以光子的模式釋放出能量而產生光。而LED之能量是以散射光的方式釋放，屬於冷性發光，與藉由加熱發光的白熾燈或藉由放電發光的日光燈之發光原理不同。

高效率LED的發展

雖然LED由pn接面所構成，然而根據載子活期的公式，電子電洞的複合效率隨著自由電子電洞的濃度增加而增加，換句話說，在載子的複合區域，電子電動濃度越高產生的光就會越多，因此單單靠簡單的pn接面是無法獲得很高的發光效率，如圖九為同質pn接面的能帶圖與結構圖，那是因為在發光位置-空乏區載子沒有很好的侷限能力，載子的分布很廣導致複合效率低。為了增加載子的複合效率，首先要提升載子的侷限能力，對於LED的整體結構會進行重大的改變，建立在pn接面的基礎下，整個結構包含了n-type的下層侷限層(bottom confinements layer)，p-type的上層侷限層(top confinements layer)與發光層(active layer)，其結構如圖十所示。

發光層的部分是決定載子複合效率高低與否，因此有好的結構設計對於載子複合效率會有很大的幫助，因此從過去到現在有很多方法被提出來，下列將依序的說明與解釋其原理。

雙異質接面 (Double heterojunction, DHJ)

雙異質接面主要是由兩個高能隙材料當作能障層，並且夾著較低能隙的材料當作發光層，而此結構沒有量子能階的產生，因此所發出光的波段由發光層的能隙決定，而此結構最主要是要增加電子電洞複合的機會，而增加發光的效率。其原理如圖十一所示。

多重量子井 (multiple Quantum well, MQWs)

量子井的厚度都是小於100Å，因此在此厚度下便會產生量子能階，而此量子能階便是產生光的能階，其發光波段由量子井的厚度決定，一般而言，厚度越小其波段越往藍位移，而外部的能障主要是增加載子複合的機會，因此可以大大的增加發光效率，其原理如圖十二所示。

量子點(Quantum dots, QDs)

量子點可視為電子物質波的共振腔，電子在量子點內會有類似電磁波在一般共振腔中的共振現象，而在此腔體共振之電磁波會產生不連續之量子能階，所以若電子激態量子能階掉到穩態之量子能階，而產生光，並且外圍的位能障要有一定的侷限能力，其原理如圖十三所示。當侷限位能壁(potential wall)較薄時，量子點中的電子可因穿隧效應(tunneling effect)而逃離，我們稱之為開放式量子點(open quantum dot)，其類似一開放式共振腔(open cavity)，此時電子能階不再是穩態(stationary state)而是一種準穩態(quasi-stationary state)；電子停留在準穩態約一個生命週期(lifetime)後，就會逃離量子點。

截至目前為止，LED最為使用的結構為多重量子井，過去數十年間，LED的發光效率也因此有超過數十倍以上的提升，對於量子點結構，其技術層面太高，因此一直還在實驗階段，這結構也可能是下一個可能被普遍使用的技術。

LED製作程序

LED的製作可以分成三大部分，第一為磊晶生長(Epitaxial growth)，第二為LED晶粒製程(chip process)，第三為封裝(package)。

磊晶生長

首先是基板的選擇，以藍光LED為例，所選擇的基板為藍寶石(Sapphire)，目前基板有2吋與4吋，主流的尺吋依然是2吋，2010年開始很多磊晶廠商（晶電、隆達、台積固態照明等）已經陸陸續續導入4吋基板，之後，將基板放入有機金屬化學氣相沉積機台進行完整LED結構的磊晶生長，成長完成的樣品稱為磊晶片(Epi-wafer)。當磊晶片製作完成，會進行一系列的量測，這些量測屬於前期的篩選，確保進行晶粒製作的磊晶片品質，其流程如圖十四所示。

LED晶粒製程

當磊晶生長完成後，磊晶片就會進行晶粒製作，此製程包含許多黃光、蒸鍍、蝕刻、剝離等製程，因此需要在無塵室等級的環境下製作，其步驟如圖十五。在進行晶粒製作前，先將磊晶片進行清洗，使用異丙醇(IPA)、丙酮(ACE)及酸鹼溶液移除表面雜質與自然氧化層，然後將磊晶片傳送至黃光室進行光學微影定義出n-type電極區域，並且依序進行n-type層的蝕刻與n-type金屬電極的蒸鍍；相同的，再次進行光學微影定義出p-type電極區域，並且依序蒸鍍上p-type的導電層與金屬層，之後將磊晶片進行背鍍反射鏡以利出光率，最後進行晶粒的切割，完成一顆顆晶粒。

封裝

LED晶粒製作完成後，會使用銀膠或透明膠將其黏著在不同的封裝體上，換句話說，要封裝成單色光LED（如藍光綠光紅光黃光等），使用銀膠或透明膠將晶粒黏著在封裝體上，然後打導電線（一般為金線），最後點上透明膠（環氧化合物材料），此透明膠除了保護功能以外，還可以集中光場增加發光強度，圖十六為典型單色光LED的架構圖。

白光LED的製作程序

白光LED是一種由單色光InGaN LED晶粒和螢光粉組成的。在LED晶粒上塗敷螢光粉，最後用透明膠（矽膠或環氧樹脂）將晶片周圍密封。到目前為止，產生白光LED的方式可分成下列三種：

藍光LED+黃光螢光粉（圖十七所示）

用藍色LED激發黃光的螢光粉。這種白光架構就是將藍光LED與YAG螢光物質放在一起，用藍光激發螢光物質，利用被藍光激發出來的黃光並且與藍光混合形成白光。在這方面日亞化學公司擁有世界性的專利，也是目前製作白光LED最為普遍且效率最高的技術，Nichia也已經證實超過140 lm/W以上的元件，除此之外，此方式則用一顆晶粒即可，其驅動電路也易於設計。

紫外光LED+RGB螢光粉（圖十八所示）

用紫外光LED激發RGB螢光粉。激發螢光粉的白色LED照明光源因螢光粉組可發射白光以外的各種顏色的光，因而可廣泛應用於照明。現實驗室水準的發光效率已超過50 lm/W，近幾年內可望超過100 lm/W，而紅光部份最佳的發光效率已超過100 lm/W。

RGB LED晶粒(圖十九所示)

利用RGB 三種發光二極體調整其個別亮度混合來達到白光，一般來說，紅、綠、藍的亮度比應為3：6：1，或者只用紅、綠或藍、黃兩顆LED調整其個別亮度來發出白光，這樣的白光結構最大的缺點就是造價較高，除此之外，此方式不僅在LED的驅動電壓或發光輸出上有缺陷，而且在溫度特徵或器件壽命上也存在問題，因此距實用化還有一段距離，目前還不利於商品化發展。

應用

自從第一顆LED被發展出來，再加上白光LED的商品化，使得LED的應用與市場變的非常廣泛，其範圍包括資訊、通訊、消費性電子、汽車市場、號誌、看板以及照明市場，其中在照明市場的發展潛力非常值得期待，是被業界看好在未來10年內，成為替代傳統照明器具的一大潛力商品。LED之所以會如此受寵是因為他有很多傳統燈具沒有的優點，相較於傳統的白熾燈泡與螢光燈管，LED具有體積小(多顆、多種組合)、發熱量低(沒有熱幅射)、耗電量小(低電壓、低電流起動)、壽命長(1萬小時以上)、反應速度快(可在高頻操作)、環保(耐震、耐衝擊不易破、廢棄物可回收、沒有污染問題)、可平面封裝、易開發成輕薄短小產品等優點，沒有白熾燈泡高耗電、易碎及日光燈廢棄物含汞污染的問題等缺點，因此，隨著這一股LED應用的熱潮，再加上技術不斷的提升，LED的普及應用將是必然的趨勢。表二為LED的種類與應用。

LED的未來

近年來台灣在全球傳統LED市場上始終佔有極重要的地位，在面對高亮度藍、白光LED所具有龐大的市場潛力的吸引下，廠商投入的態度更是積極。過去由於日亞化學對InGaN系LED技術授權障礙，導致業者即使具備量產高亮度藍、白光LED的能力，不管多努力最後還是得避開日本市場。不過日亞化學在白光LED的晶粒、螢光粉比例、製程等方面專利，經過近年來與各國廠商的多次訴訟以及相對不利於日亞的判決後，Nichia的專利權已不是一項牢不可破的障礙，因此未來藍、綠光的競爭勢必更加激烈，相對的成長也會更為快速。