白光LED技术发展演进近况.pdf

■ 光電半導體光連雙月刊．2007／11．72期34光連雙月刊．2007／11．72期34白光LED技術發展演進近況近來單顆大功率LED的發光效率與光通量的記錄不斷的推升，各大廠宣示在照明用大功率LED晶片的地位也十分明顯，其技術演進也牽動著照明相關業者的目光郭子菱／呂紹旭表1 白光LED種類 圖1 藍光GaInN配合YAG螢光粉之白光LED結構示意圖資料來源：PIDA資料來源：http://www.lightemittingdiodes.org繼1993年日本Nichia成功開發出高效率藍光LED，讓全彩化LED產品可以實現後，1993年GaN系的藍光LED被開發出來，正式啟動白光LED成為業界追求目標1996年Nichia率先推出白光LED，而後投入業者慢慢增加，包括Osram、Agilent、GELcore及Sumitomo等都已加入量產行列，近年來廠商不斷提升LED發光效率，使高亮度LED應用領域已跨足到高效率照明光源市場LED是半導體元件，具有壽命長之特性，由電轉換為光的效率高，耗電量少；同時發光二極體元件是一種極小的發光源，所以可配合各種應用設備的小型化白色LED與一般照明比較，除了省電外（用電量是一般燈泡的八分之一至十分之一，日光燈的二分之一），還有壽命長（號稱可達10萬小時以上）、發熱量低（熱輻射少）、反應速度快（可高頻操作），安全又環保（無汞污染）。

由於白色LED燈泡具有上述多項優點，可望在二十一世紀取代鎢絲燈和水銀燈，成為兼具省電和環保概念的新照明光源，也因此被喻為「綠色照明光源」目前白光主要生產方式「白光」通常是指一種多顏色的混合光，而人眼可以看到的白色光至少由二種以上波長的色光所混合而成，如表1所示像是藍光加黃光可得到二波長的白光，或是藍光、綠光及紅光混合後，可得到三波長的白光目前主要產生白光的方式大致可區分為下列三種：(1)、以紅、綠、藍三種LED調整其各別亮度來達到白光，藍、綠、紅的亮度比為1：3：6或1：3：7左右或者只利用紅、綠或藍、黃兩顆LED調整其各別亮度來發出白光以此方式形成的白光LED具有高發光效率及高演色性的優勢，不過因為藉由不同顏色晶粒，磊晶材料有所差異，電壓特性也隨之不同，導致混光和控制線路設計複雜，且成本較高，較不容易推展 ( 2 ) 、 利 用 藍 光 G a I n N 的LED去激發黃色螢光粉（Yttrium 白光LED二波長型單晶粒藍色GaInN+YAG藍色ZnSe+基板雙晶粒藍色GaInN+藍、綠、琥GaP三波長型單晶粒紅、藍、綠光1Chip LED紫外光Chip+紅、藍、綠螢光粉 多晶粒紅、藍、綠光LED，3 Chips組成Optoeletronics semiconductor component光電科技工業協進會 PIDA35光電科技工業協進會 PIDA35圖2 紫外光LED搭配螢光粉產生白光的可能性評估 資料來源：交通大學應用化學系Aluminum Garnet；YAG）或利用綠光的GaInN激發紅色螢光粉。

1996年日本Nichia推出的白光LED 即是以藍光LED激發黃色YAG螢光粉而成，為現階段市場最多採用的製造方法圖1為以此方式產生的白光LED結構示意圖，在藍光LED晶片的外圍填充混有黃光YAG螢光粉的光學膠體，此藍光LED晶片發出的藍光波長為400〜530nm，利用藍光LED晶片發出的光線激發黃色螢光粉產生黃光，同時發射出部份藍光，此部份藍光混合黃光後，即形成二波長的白光以此種藍光LED晶片與黃色螢光粉組合而成之白光LED，會產生一些缺點例如：發光光譜大部份為藍光，會有色溫偏高與不均勻等現象因此必須提高藍光及黃光螢光粉作用的機會，降低藍光強度或是提高黃光的強度再者，因藍光LED發光波長會隨溫度提升而改變，因此會產生白光顏色不易控制的情形，另外，紅色光譜較弱，有演色性較差現象3)、利用紫外光GaN的LED 去激發紅、綠、藍三色螢光粉來產生三波長之白光三波長白光LED有高演色性、低成本等優點，但發光效率卻不足的問題紫光LED+螢光粉－蓄勢待發以藍光LED加螢光粉產生白光為目前業界中較為成熟之技術，且成本、壽命、亮度，及可靠度等也都較有優勢，不過，專利權幾乎被日系廠卡死，因此業者以取得授權或交叉合作的方式，來提升技術及產品效能。

在授權方面，以Nichia及Osram為兩大授權陣營或交叉合作重心，而Nichia與Osram彼此交叉授權外，也分別與其他業者有不同程度的合作關係雖說藍光LED加黃色螢光粉是現階段市場主流，但是為排除專利權問題，以藍光LED加綠色及紅色螢光粉，或是UV LED加螢光粉的方式已開始吸引業者投入研發，並尋找出多種可行性的搭配，如圖2所示就整體表現來看，UV LED除了沒有專利權的阻礙較小外，具有低成本以及高演色性（CRI較YAG高）等優點，並可與其他任何螢光粉搭配不過其發光效率較差的問題仍有待克服，另外，UV發光波長若為368nm則會有UV外漏的疑慮，且Epoxy（環氧樹脂）能否耐UV，避免黃化問題，也是另一項考驗近期日本理化學研究所與埼玉大學共同開發出波長227.5nm的UV LED，但目前輸出功率只有0.02μW此外，這兩家機構也製作出發光波長為253nm、261nm、 273nm，輸出功率分別為1mW、1.65mW、3.3mW三種紫外線LED這些紫外線LED的輸出功率，與燈飾上使用的藍色、紅色、白色LED大體相同，達到作殺菌燈的水準，也可應用於凈水、醫療領域以及公害物質的高速分解處理等領域。

白光LED發光效率進展較市場較市場預期佳由白光LED的發展歷史來看，以GaN系為主流的白光LED，商品化產品的發光效率由1996年的5 lm■ 光電半導體光連雙月刊．2007／11．72期36光連雙月刊．2007／11．72期36圖3 推展LED用於照明之發光效率計劃資料來源：TG / PIDA整理／W，1999年的15 lm／W一路提昇到目前Nichia的100 lm／W由於近年來LED技術發展迅速，亮度不斷提高，價格也不斷降低，除LED原有市場外，應用於照明市場也不斷擴大白光LED發光效率需超過100 lm／W以上才能進入廣大的照明市場，並對目前日光燈（約60〜100 lm／W）具有取代效果，各國無不以達到100lm／W以上為目標，而美、日、歐、韓也紛紛成立國家型研發組織，加速技術開發和量產在新技術的推展上，2006年6月Nichia領先同業，開始供貨發光效率為100lm／W的白色LED後，Citizen Electronics、Philips Lumileds、Cree等其他業者也紛紛跟進，由於白色LED業界的技術競爭激烈2007年初Lumileds宣布一款尚處研發階段的產品在350 mA驅動下，可發光效率可達115 lm／W後，同年9月，Cree實驗室也成功開發出單顆超過1,000 lm以上的冷白光LED，這相當於一般家用燈泡的標準。

該款高功率LED，由美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）以驅動電流350mA持續點亮5分鐘後量測，冷白光發光效率為129 lm／W，光通量135.7 lm（色溫5813K）另一款暖白光發光效率為99 lm／W，光通量為104.2 lm2007年9月Nichia在美國拉斯維加斯舉行的「ICNS-7」中也發佈由藍光LED搭配YAG螢光粉的高功率白色LED其350mA電流輸入時光通量為145lm，發光效率為134lm／W，色溫為4988K，接近一般照明設備的5000K，預定應用於一般照明設備；另外，小功率產品方面目前該公司實驗室研發人員也成功開發出20mA的169 lm／W白光LED另外，近期印度班加羅爾市科學家也宣稱開發出由Mn摻雜CdS的半導體奈米晶體製成的白光LED新型光轉換材料有別於傳統螢光粉製造白光LED產生的色彩、顏色不均勻等問題，印度理工學院的D.D. Sarma和Angshuman Nag領導的研究小組強調，該項材料性能較螢光粉穩定台灣廠商新世紀光電則以具有多頻譜發光波長之單晶片、電流導通層、正向光導出結構發光二極體元件及製造方法，發展出目前唯一成功以單晶片不加螢光粉即能自發產生白光的技術。

新世紀開發的多頻譜白光單晶片，是以雙波長（藍、黃光）在晶片內進行混合成為白光，比一般LED白光，較接近太陽光，並減少一般LED白光應用螢光粉所產生之不穩定因素（如螢光粉易受高溫潮溼影響），以延長燈泡壽命、穩定性及抗靜電性（ESD）截至2007年上半年為止，新世紀開發的這項白光單晶片發光效率為20~30 lm／W，目前仍積極提昇發光效率中，該公司計劃在未來三年內進入照明市場以圖3推展LED用於照明之發光效率計劃來看，目前廠商積極投入研發的結果，進度已比原預期要好一般而言，實驗室產品要到商品化，大約需要一年到一年半的時間，綜合目前各家的產品上市情形及對外發表實驗室研發成果來看，Optoeletronics semiconductor component光電科技工業協進會 PIDA37光電科技工業協進會 PIDA37表2 各家LED廠商目前發表之LED發光效率比較 資料來源：PIDA，2007 / 10原先市場預期2009年LED發光效率才會突破100 lm／w的時間表（如圖3所示），若以目前廠商的產品推出時程來看，LED導入照明市場的時間可望提前實現有賴於大功率晶片的技術發展，對於LED取代傳統照明有很大的助益，過去的照明產品為了達到高亮度的需求，礙於現有單顆晶片發光能力的限制，只能採用多顆小晶片組合發光的方式來達成。

單顆大尺寸晶片為發展重點但此方式必須靠著篩選晶片的流程，降低每一顆晶片彼此間的差異性，事實上，此舉也無法真正保證其波長與亮度上的均勻性，而且每一顆LED晶片的使用衰減速度不盡相同，整體壽命無法有效的掌握，以致對於照明系統的穩定性一直都是個很大的考驗而在光學設計方面的需求考量下，以單顆LED所發的光源，在光學設計上相對比多晶片的發光源來的簡單許多因此，經由單顆大功率晶片的開發，有效降低使用多顆晶片組成照明系統不確定性，也降低LED封裝製作上的難度，進而提高整體的良率以上的優點，是發展大功率LED晶片的主要原因，而下列技術為各國研發單位之研發重點：（1）晶片電極設計最佳化：晶片電極作最佳化設計，增加有效發光面積，並且改善電流分佈不均的問題，製作可承受更大驅動電流的晶片，提升整體的發光功率2）大尺寸晶片的外型與表面結構設計：藉由大尺寸晶片的外型與表面結構設計，例如：晶片表面製作溝槽設計、表面粗化結構在大面積晶片內部因為全反射所造成的光子損失尤為嚴重，能有效破壞光在內部全反射的情形，藉以提升取光效率3）提高磊晶材料與結構光電轉換效率：目前製作LED的磊晶基板以藍寶石（Al2O3）、碳化矽（SiC）、矽（Si）、氮化鎵（GaN）為主。

Al2O3基板的化學穩定性好、不吸收可見光、製造成本低的因素，是最常應用在LED磊晶基板的材料，但其散熱性較差，用於大功率產品就相對突顯其缺點而SiC在此方面就相當具有優勢，散熱性與導電特性良好，但礙於價格過高，且在磊晶過程中，與GaN晶格匹配度較差而Si半導體工業發展純熟，作為基板的量產價格低、大尺寸製作容易，且具有良好的導電性、導熱性、熱穩定性，但仍有晶格匹配度較差的問題，其最大缺點是Si基板有吸收可見光、取光率低的缺點GaN基板與各層磊晶層材質相近，所以磊晶的晶格匹配度最佳，晶格缺陷也最低，亦適合於高功率雷射二極體的製作，但價格相當高昂結論以先前敘述的幾家大功率LED晶片的產品來說，可以嗅到其廣泛應用在LED照明的可行性，與攻佔下游照明用大功率封裝產品上的企圖心，相信技術的進展不斷推升，照明工業指日可待對於台灣來說，現有的大功率LED晶片開發技術仍然較為落後，上述的研發重點與專利規避的問題，賴於產學間的密切合作，提高國內大功率晶片的市場競爭力，讓台灣的製。