隨著LED性能持續(xù)地提高，應(yīng)用市場也隨之急速擴(kuò)大，隱藏在背後的原因是使用GaN、AllnGaP發(fā)光材料的高輝度LED，擁有著長壽命、省電、耐震、低電壓驅(qū)動(dòng)等優(yōu)秀的特色，並且超越燈泡和鹵素等，而高發(fā)光效率的LED更是在最近幾年陸續(xù)被研發(fā)出來，因此，未來高亮度LED市場的發(fā)展，將會(huì)更快速與廣泛的成長。
其中普及率最明顯的就是白光LED， 90年代末期在環(huán)保節(jié)能的背景下更被市場所期望著，同時(shí)也刺激了業(yè)者迅速研發(fā)相關(guān)的技術(shù)。就目前而言，白光LED主要的應(yīng)用包括了手機(jī)液晶背光照明和車用內(nèi)裝照明，單單是這些市場就已經(jīng)占了LED整體銷售量的25％左右。
另一方面關(guān)於照明應(yīng)用的部份，則處於剛起步的境界。一般建築物的照明，往往占了整個(gè)消耗電力的20％，在日本，90年代已經(jīng)超過每年1,000億kWh。所以對於新一代節(jié)能型光源的期望相當(dāng)大，但遺憾的是到目前為止，白光LED還只能夠使用在相當(dāng)小的範(fàn)圍。因?yàn)橄?mm的小型白光LED，無法像電燈泡或者螢光燈那樣，只用一個(gè)就能得到使用環(huán)境所需的光量。因此如果希望LED能夠跨足到建築照明，在整體技術(shù)上則需要更大的突破才行。
高亮度白光LED基本結(jié)構(gòu)
白光LED基本上有兩種方式。一種是多晶片型，一種是單晶片型。前者是將紅綠藍(lán)三種LED封裝在一起，同時(shí)使其發(fā)光而產(chǎn)生白光，後者是把藍(lán)光或者紫光、紫外光的LED作為光源，在配合使用螢光粉發(fā)出白光。前者的方式，必須將各種LED的特性組合起來，驅(qū)動(dòng)電路比較複雜，後者單晶片型的話，LED只有1種，電路設(shè)計(jì)比較容易。單晶片型進(jìn)一步分成兩類，一類是發(fā)光源使用藍(lán)光LED，另一類是使用近紫外和紫外光�，F(xiàn)在，市場上的白光LED大多數(shù)是藍(lán)光LED配合YAG螢光粉。
在過去，只有藍(lán)光LED使用GaN做為基板材料，但是現(xiàn)在從綠光領(lǐng)域到近紫外光領(lǐng)用的LED，也都開始使用GaN化合物做為材料了。並且伴隨著白光LED應(yīng)用的擴(kuò)大，市場對其效能的期待也逐漸增加。從單純的角度來看，高效率的追求一直都是被市場與業(yè)者所期待的。但是另一方面，演色也將會(huì)是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，如果只是做為顯示用途的話，發(fā)光色為白色可能就已經(jīng)足夠了，但是從照明的用途來說，為了達(dá)到更高效率，如何實(shí)現(xiàn)與自然光接近的顏色就顯得非常必要了。
GaN作為高亮度LED基材 逐漸普及
 在技術(shù)發(fā)展的初期，全球只有2∼3家業(yè)者發(fā)展及生產(chǎn)GaN LED，但是到今天為止生產(chǎn)業(yè)者的數(shù)量已經(jīng)接近10家企業(yè)，因此在市場上也展開了激烈的競爭。與初期相比較之下，儘管今天已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了飛躍性的亮度提升，但是技術(shù)上即將面臨更困難的門檻，所以現(xiàn)在不管是學(xué)術(shù)界，還是企業(yè)界都在集中精力進(jìn)行技術(shù)和研究研發(fā)。以目前GaN LED整體的研發(fā)方向來看，大概分為，大電流化、短波長化，以及高效率化等等的發(fā)展方向。
圖說：至今生產(chǎn)GaN LED的業(yè)者數(shù)量已接近10家。（資料來源：NICHIA）
如何讓LED支援更大的電流
近年來，業(yè)者對於只需一顆就可達(dá)到相當(dāng)亮度的LED研發(fā)相當(dāng)積極，因此在這一方面的技術(shù)也就落在如何讓LED能夠支援更大的電流。通常30u㎡的LED最大可以驅(qū)動(dòng)30mA的電流，但是這樣的結(jié)果還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足市場的期望，所以目標(biāo)是需要將10倍以上的電流，導(dǎo)通到LED元件中。因此當(dāng)LED的面積尺寸可以擴(kuò)充到1m㎡時(shí)，那麼緊接下來的工作便是如何讓電流值能夠達(dá)到350∼500mA，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓是3V多，所以就可以有1W的電力能被流進(jìn)1m㎡的晶片面積。
而在發(fā)光演色的方面，雖然有這麼大的功率輸入到GaN LED中，但是所投入電力的四分之三都無法轉(zhuǎn)換成光而形成熱量，因此LED就會(huì)出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象，這也會(huì)直接影響到LED的演色結(jié)果。因?yàn)長ED元件的基本特性是，如果溫度上升，發(fā)光效率就會(huì)下降以及造成演色性偏差，所以如何有效的釋放大量產(chǎn)生熱量的放熱技術(shù)成為了關(guān)鍵，因此將LED裝在熱傳導(dǎo)率大、熱容量大的材料上就成了相當(dāng)重要的問題，以目前來說大多是使用有價(jià)金屬或者陶瓷。
短波長帶來勵(lì)起光的高能量化 提升螢光粉的發(fā)光效率
從藍(lán)光開始的GaN LED，目前已經(jīng)成功研發(fā)了高輝度綠光LED，開始雖然也有長波長化的研發(fā)趨勢，但是因?yàn)镮nN的混晶比提高而導(dǎo)致的結(jié)晶性惡化，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸被業(yè)界放棄了。另一方面，為了諸如成為雷射代用品等的新型應(yīng)用研發(fā)也開始被考量，所以目前業(yè)界對於短波長的研發(fā)正在積極進(jìn)行。最近日本一些大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功地研發(fā)出250nm的LED，不過實(shí)用性還是有待思考，因?yàn)槿搜蹖恫ㄩL的接受度約為380nm，所以波長如果比380nm更短時(shí)，是無法生產(chǎn)出可視域內(nèi)的LED，或者會(huì)產(chǎn)生低輸出的情況。
為了避免遇到前述的問題，目前大多都採用以下的解決方法：
1.變更發(fā)光層結(jié)構(gòu)：不在可視域LED的晶片上採用的GaInN結(jié)構(gòu)，而是採用Eg更大的AlGaN或者AlGaInN。
2.回避光吸收損失：在LED的晶片結(jié)構(gòu)中存在GaN或者GaInM層的話，會(huì)因?yàn)樽陨韺⒐馕斩鵁o法將光散發(fā)出去，所以利用AlGaN層為基礎(chǔ)，來構(gòu)成出全體結(jié)構(gòu)層會(huì)有比較好的成果，或者利用GaN作為重要的n型底層。
3.減少結(jié)晶缺陷的：短波長LED中結(jié)晶缺陷的密度會(huì)對光輸出和壽命早成很大的影響。
 如果能夠?qū)⑸鲜龅娜齻�(gè)課題順利的解決，相信利用LED作為一般照明的實(shí)用距離又能大幅度的縮短。以目前來說，GaN白光LED的效率已經(jīng)可以超過了白熱電燈泡和鹵素?zé)簦?5∼25lm/W），但是為了能夠超過擁有壓倒性光亮輸出相大的日光燈（50∼80lm/W以上），就需要更大幅的效率提高和光量的飛躍性增加。為了能達(dá)到與日光燈相同的光源特性，利用螢光粉發(fā)光的混色形成的白光化技術(shù)，就成為關(guān)鍵的因素。如果充分利用LED的效率，並且能夠?qū)崿F(xiàn)短波長化的話，利用勵(lì)起光的高能量化，相信螢光粉的發(fā)光效率也會(huì)大幅攀升。
圖說：如果充分利用LED的效率，並且能夠?qū)崿F(xiàn)短波長化的話，利用勵(lì)起光的高能量化，相信螢光粉的發(fā)光效率也會(huì)大幅攀升。（資料來源：NICHIA）
在長晶面得到均一的品質(zhì)才是關(guān)鍵
所謂的內(nèi)部發(fā)光效率是指電子變換成內(nèi)光的比例�？梢哉f是LED中心部份的發(fā)光效率。但是往往因?yàn)榻Y(jié)晶缺陷的因素，嚴(yán)重的影響了LED的發(fā)光效率。當(dāng)GaN長晶時(shí)，因?yàn)槭褂迷诨迳系乃{(lán)寶石基板和GaN單結(jié)晶件的格子定數(shù)差、熱膨脹係數(shù)的差距，使得長晶方向出現(xiàn)了非常高密度的遷移缺陷。
一般來說所產(chǎn)生的密度是在109c㎡以上，這樣的密度如果是出現(xiàn)在短波長LED和雷射二極體時(shí)就會(huì)成為致命傷。為了減少這種轉(zhuǎn)位密度的方法大致上有2種，一種是不讓轉(zhuǎn)位貫通到長成方向、另一種是抑制轉(zhuǎn)位現(xiàn)象的出現(xiàn)。在不讓轉(zhuǎn)位貫通到長成方向這一方面，可以使用Patterning加工的基板，在垂直長成時(shí)，使之往水平方向長成，將缺陷的長成邊朝向水平方向彎曲，垂直方向?qū)崿F(xiàn)貫通結(jié)果，來降低轉(zhuǎn)位現(xiàn)象，這樣的做法雖然大概能達(dá)到107c㎡以下的低轉(zhuǎn)位，但是實(shí)際量產(chǎn)的話，要在長晶面得到均一的品質(zhì)才是關(guān)鍵。後者的方法是將結(jié)晶缺陷密度低的Ⅲ族氮化物（nitride）基板，或者低缺陷的Ⅲ族氮化物使用在已經(jīng)成膜的基板上。
原來在Ⅲ族氮化物裡是不存在單結(jié)晶Bulk，當(dāng)使用藍(lán)寶石基板進(jìn)行hetero-epitaxial生成，轉(zhuǎn)位高密度發(fā)生的根源就在於這種異種基板的使用，當(dāng)然使用Bulk基板是最佳的解決方法。因此，在各種製作方法上的研發(fā)、量產(chǎn)化都在積極的開發(fā)中，也有一些已經(jīng)開始進(jìn)入銷售的階段了。另一方面，與終極基板Bulk基板相對的，能夠?qū)崿F(xiàn)其類似功能的是Template基板。目前好幾個(gè)業(yè)者都開始小量生產(chǎn)，這些雖然沒有像Bulk基板成本那麼高，但是成本也不低，因?yàn)榭紤]到高成本和效率，只能使用在雷射和電子設(shè)備，UV LED等上面。
儘管結(jié)晶缺陷非常多，但是GaN系LED元件為什麼能夠達(dá)到高亮度，並且晶片不會(huì)迅速劣化，這些結(jié)構(gòu)現(xiàn)象還是仍舊被工程師與學(xué)者在研究當(dāng)中，但是並沒有一個(gè)完整的理論出現(xiàn)。所以為了達(dá)到材料最大的限度，發(fā)揮出GaN的極限，就有必需確定發(fā)光構(gòu)造的理想的層構(gòu)成，以及構(gòu)造設(shè)計(jì)。
如果不能實(shí)現(xiàn)好的長晶 一切都是白費(fèi)功夫
結(jié)晶生成對於LED元件製造來說，是相當(dāng)關(guān)鍵的技術(shù)，同時(shí)也是高效率化研發(fā)的關(guān)鍵。無論怎麼好的結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)，如果不能實(shí)現(xiàn)好的長晶，一切都是白費(fèi)功夫。在初期，量產(chǎn)的GaN LED是face-up型的元件，在p側(cè)的接觸電極是採用透光性的薄膜電極，透過這個(gè)薄膜電極發(fā)光，而材料上則是使用Au合金電極，但是雖然具有透光性的特性，但是實(shí)際的透光度並不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，因?yàn)橥ㄟ^電極的光係數(shù)，或者反射而無法散發(fā)出的光相當(dāng)?shù)亩�，使得發(fā)光效率一直無法獲得提升。因此隨後研發(fā)人員考量，因?yàn)閒ace-up型的LED元件反射率很高，必須採用穩(wěn)定性高的材料作為電極，將光從藍(lán)寶石基板側(cè)發(fā)出，來提高發(fā)光通量。
通常的LED晶片有必要透過有機(jī)材料來固定，往往伴隨著這種封裝材料的熱量出現(xiàn)，會(huì)使得光的品質(zhì)出現(xiàn)劣化，產(chǎn)生光輸出降低的問題。另一方面flip-chip的封裝之所以可以達(dá)到高發(fā)光效率，因?yàn)槭菍⒔Y(jié)晶層置於下方，利用bump金屬材料封裝在基板上，所以能夠有效率的把結(jié)晶層內(nèi)的熱量排除，而且因?yàn)椴恍枰B接材料，所以穩(wěn)定性也相當(dāng)高，用來作為照明用的大電流、大型元件，這是非常好的封裝設(shè)計(jì)。
圖說：Flip Chip的封裝之所以可以達(dá)到高發(fā)光效率，因?yàn)槭菍⒔Y(jié)晶層置於下方，利用bump金屬材料封裝在基板上，所以能夠有效率的把結(jié)晶層內(nèi)的熱量排除。（資料來源：CREE）
提高電極的可視光透過率 增加光通量
最近也有工程師開始利用ITO作為透明導(dǎo)電膜，這是因?yàn)镮TO電極的可視光透過率非常高，而且電極材料自身也不大會(huì)出現(xiàn)光吸收現(xiàn)象而造成光損耗，而且在光學(xué)設(shè)計(jì)上，本身折射率是GaN折射率和Mold材料樹脂的中間值，所以能夠大幅增加輸出效率。因?yàn)镚aN系結(jié)晶折射率很高，所以在LED元件結(jié)晶內(nèi)部發(fā)出的光，並沒有透出而是在內(nèi)部反射，最終被材料所吸收。例如n-GaN層／藍(lán)寶石基板介面的臨界角是47度，p-GaN層／mold材料的epitaxial樹脂介面的臨界角是38度，一般LED的輸出效率至少是30％。因此如果能夠?qū)l(fā)光層發(fā)出的光全部透出的話，很有可能可以將LED的亮度增加到目前兩倍以上。
LED構(gòu)造逐漸固定化之後的一兩年，關(guān)於這一方面的討論相當(dāng)多，包括了n-GaN層／藍(lán)寶石基板介面以及p-GaN層表面等等。在n-GaN層／藍(lán)寶石基板介面上，最有代表性的研究是透過介面加工，製造出光學(xué)的凹凸，並且在所形成凹凸的藍(lán)寶石基板上生成結(jié)晶。介面作成凹凸形狀的理由是，這樣能夠大幅減少全反射損失，如果在結(jié)晶生成初期，在加上促進(jìn)水平方向長成，就能夠減少結(jié)晶的缺陷，而使得發(fā)光效率大幅度的提升。
另外，也有業(yè)者正在開發(fā)，當(dāng)藍(lán)寶石基板上進(jìn)行長晶後，除去藍(lán)寶石基板以及物件介面的技術(shù)。這是因?yàn)樵诮Y(jié)晶生成後會(huì)形成反射性的電極，在這個(gè)電極上結(jié)合基板材料，然後再用雷射lift-off法除去藍(lán)寶石基板，在露出的n-GaN層上形成n接觸電極，當(dāng)然這樣的話，n-GaN層／mold樹脂間介面的臨界角會(huì)比較小，使得光輸出效率非常差，為了克服這一個(gè)缺點(diǎn)，就必須在n-GaN表面增加光學(xué)的設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)和生產(chǎn)的自由度都很高，所以可能會(huì)有很大幅度的輸出效率提高，也會(huì)有flip chip的優(yōu)點(diǎn)。
在p-GaN層表面技術(shù)方面，目前有相當(dāng)多業(yè)者投入開發(fā)Photonic結(jié)晶技術(shù)，所謂的Photonic結(jié)晶就是在光的波長週期性擁有折射率分佈的構(gòu)造，能夠?qū)崿F(xiàn)一般物質(zhì)空間種無法實(shí)現(xiàn)的光的應(yīng)用。將p-GaN層進(jìn)行蝕刻製程，在最表面形成Photonic結(jié)晶，能夠大幅提高光輸出效率，但是這是要求度非常高的微細(xì)製程技術(shù)，而且在對p-GaN層加工時(shí)，會(huì)造成p-GaN層破壞，所以目前還是停留在研發(fā)的階段。Photonic結(jié)晶技術(shù)被發(fā)現(xiàn)後，在各領(lǐng)域的應(yīng)用有著相當(dāng)令人激賞的表現(xiàn)，一直是倍受研發(fā)者所關(guān)心的一項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)槎嗍瞧谕軌蜣挶苋諄喕瘜W(xué)的藍(lán)光LED加螢光粉製技術(shù)專利。
其他的高效率化技術(shù)
利用增加電流也可以達(dá)到高亮度，但是單純的將元件大型化，透過提高電流實(shí)現(xiàn)高光度的話，是不能提高效率的，因?yàn)殡m然將LED變的更亮，但是耗電量也隨之增加，並且也會(huì)損及LED的使用壽命，但是可以透過減少元件的熱負(fù)荷，來進(jìn)一步提高發(fā)光效率，因?yàn)榧词故且话愠叽绲腖ED，可以因?yàn)樵诜庋b基板上使用熱傳導(dǎo)性好的材料，來實(shí)現(xiàn)高效率化。GaN LED相關(guān)的研發(fā)，已經(jīng)將基板的結(jié)構(gòu)發(fā)展的相當(dāng)成熟，接下來進(jìn)一步的就是開發(fā)出新一代高效率LED。因?yàn)槟壳癎aN LED的內(nèi)部發(fā)光效率已經(jīng)到達(dá)相當(dāng)高的水準(zhǔn)，但是光輸出效率還有很大的空間可以提升，如果能夠?qū)崿F(xiàn)新一代設(shè)計(jì)的話，可以期待大幅度的光亮度提升成果，雖然有成本，壽命的諸多問題，相信新一代的超高亮度LED的量產(chǎn)時(shí)代已經(jīng)不遠(yuǎn)了，同時(shí)也縮短了照明領(lǐng)域應(yīng)用的時(shí)間距離。 |
