改變技術方式使改變技術方式使 LEDLED 增加效率增加效率

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李仁凱李仁凱

大綱大綱 前言 簡介 能帶圖 發光波長 轉換效率 結構 封裝 白光 LED 結論 參考資料

前言前言• 發光二極體 (Light Emitting Diode ，簡寫為 LED) 是一種可將電能轉變為光能的半導體發光器件，屬於固態光源。

• LED 初期問世，當時的 LED 以紅色為主，發光效率很低，光通量很小，只能作指示燈和儀錶顯示器使用。

• 隨著材料、結構和封裝技術的不斷進步，發光效率大幅度提高，尤其是近年來高光效、高亮度的白光 LED的開發成功，使得 LED 在照明領域的應用成為可能。現在人們普遍認為 LED 將可望發展成第四代光源。

LEDLED 簡介簡介• 發光二極體是一種特殊的二極體。和普通的二極體一樣，發光二極體由 P 型及 N 型半導體晶片組成。

• 它所發出的光的波長，及其顏色，是由組成 pn接面的半導體材料的能隙寬度所決定。

優點優點

• 發光效率高 • 使用壽命長 • 不易破損• 可調整光之強弱• 耗電量少 • 環保無汞 • 低電壓 . 安全性高• 體積小 . 可塑性強 , 可施工在任何造型上• 光源具方向性• 色域豐富 ( 波長可控制 )

缺點缺點•散熱問題 , 不利於使用在高溫環境中

•需再設計控制電路

•目前成本較高 ( 專利保護 )

直接能隙直接能隙使用直接能隙，如採用間接能隙會消耗到不必要的能量 (X 軸 ) 、造成發光效率變差或改變波長。

由材料的能隙可決定發光波長λ(nm) = 1240 / Eg

λ: 發射光的波長Eg: 材料的能隙

LEDLED 動作原理動作原理• 零偏壓下

np

p n

• 加上順向偏壓+V p n

np

light

LED I-V characteristicLED I-V characteristic

發光波長發光波長

GaP

能隙決定發光波長能隙決定發光波長• 由材料的能隙可決定發光波長 λ(nm) =

1240Eg λ: 發射光的波長

Eg: 材料的能隙

以 GaN 為例，其 Eg 為 3.4eV ，則發射光的波長為 :

λ= 1240/3.4= 365 nm

光電轉換效率光電轉換效率• 內部量子效率 (Internal Quantum Efficiency)

• 光取出率 (Light Extraction Efficiency)

• 外部量子效率 (External Quantum Efficiency)

發展高亮度 LED 相關技術就必須提高 IQE 跟 LEE的

數值。

LEDLED 結構結構

應力的產生應力的產生材料之間因為晶格常數不同、所以在磊晶成長時會因晶格的不匹配、造成 dislocation 。

• 造成內部量子效率降低。• 增加漏電路徑。

Sapphire

N-GaN

LEDLED 結構結構 (( 以以 GaNGaN 為例為例 ))

Sapphire substrate

LT-GaN buffer layer

n-GaN

InGaN/GaN MQWp-GaN

n+ InGaN/GaN SPS

ITO

n-electrode

p-electrode

提升效率的方法提升效率的方法• 使用銦錫氧化物 (Indium Tin Oxide; ITO) 當電流傳輸層

• 採用覆晶結構 (Flip-chip)• 將光輸出表面粗操化• 使用垂直電極 (Vertical Electrode)• 使用 22°底切側壁• 使用圖形化的藍寶石基板• 使用電流阻擋層 (Current Block Layer; CBL)• 使用氧化鎳 / 銦錫氧化物歐姆接觸• 在 MQW 與 p-GaN 層之間多做一層 p-AlGaN

結構中每一層的作用結構中每一層的作用• ITO ：使電流均勻分布。• n+-InGaN/GaN SPS：提供 ITO 與 p-GaN 之間形成良好 的毆姆接觸。• p-GaN：提供電洞。• InGaN/GaN MQW：使電子及電洞更容易侷限在一起 因而增加發光強

度。• n-GaN：提供電子。• LT-GaN：降低 Sapphire 與 n-GaN 之間因晶格差異所產 生的應力。

MQWMQW 的作用的作用(a) 零偏壓下的 MQW (b) 加順向偏壓下的 MQW

使用銦錫氧化物使用銦錫氧化物 (ITO)(ITO)

• ITO 特性 ： 1.硬度高 2.有很高的電子傳導率 3. 光學吸收係數低

基板種類基板種類

電流路徑電流路徑一般 LED 的電流方向為 path

A ，如此將使大部分的電流皆注入 P 型電極下方的區域。

改善方式改善方式

使用電流阻擋層 ( Current Block Layer ；CBL )

用來阻擋 path A 的路徑，因此 LED 的電流路徑將往 path B 來流動，則電流將能平均分佈於MQW 中，這樣將使元件的光亮度提升，

MQWMQW(a) 零偏壓下的 MQW

(b) 加順向偏壓下的 MQW

Sapphire substrate

buffer layer

n-GaN

InGaN/GaN MQWp-GaN

ITO

n-electrode

p-electrode

為何選用為何選用 ITOITO

材料中有最佳的導電性 ( 電阻比低 ) 在可見光波段有良好的透光度 良好的耐候性，受環境影響小 大面積鍍膜製程容易 ( 成熟 ) 蝕刻製程容易 ( 成熟 )

Sapphire substrate

buffer layer

n-GaN

InGaN/GaN MQWp-GaN

ITO

n-electrode

p-electrode

ITO(Indium Tin Oxide)ITO(Indium Tin Oxide) 的用途的用途主要用途為使電流均勻分布 ( 電流散佈 ) 。

ITO 特性 ： 1.硬度高 2.有很高的電子傳導率 3. 光學吸收係數低

Sapphire substrate

LT-GaN buffer layer

n-GaN

InGaN/GaN MQW

p-GaN

n+ InGaN/GaN SPS

ITO

n-electrodep-AlGaN

p-electrode

在在 MQWMQW 與與 p-GaNp-GaN 層之間層之間多做一層多做一層 p-AlGaNp-AlGaN

• 這一層的 p-AlGaN 為電子阻擋層，將未掉入的MQW 的電子彈回井內，以增加光的效率。

p-AlGaN

I-VI-V(( 電壓電流關係圖電壓電流關係圖 ))約 3.25v

L-IL-I(( 電流與發光強度相對關係電流與發光強度相對關係 ))

電 流 加 至 160mA 時 達 到 飽 和 。 若 注 入 電 流 持 續 增 加 , 則 多 餘 能 量 轉 成 非 輻 射 復 合 ; 相 對 發 光 強 度 降 低 。

約 344(mcd)

ELEL 強度圖強度圖(460,2806)

(450,1403) (470,1403)

FWHM = ( 450 + 470 ) => 20(nm)

半高寬值越小 , 表示此 LED chip 結晶品質越好 , 出光純度越佳

藍移 (blue-shift) 現象圖 紅移 (red-shift) 現象圖

電流散佈電流散佈

LEDLED 表面粗糙表面粗糙

粗糙化前 粗糙化後

未粗糙化前造成全反射 粗糙化後克服全反射來增加光取出率

封裝封裝

Terminal pins

Die

反射杯反射杯

LED 封裝中需考慮光線的折射與穿透

環氧樹脂環氧樹脂缺點 - 耐熱性差 - 易老化 - 易受短波長 (UV)光源影響 - 散熱性不佳

改善方式改善方式矽膠 (silicone) - 極優的高低溫穩定性。 (-65℃~+232℃) - 耐候性極佳。 - 極優的黏著性。 - 極佳的吸震及緩沖性。 - 極優的介電特性。 - 化學穩定性。

白光白光 LEDLED製作白光 LED 的三種方式：

1.利用紅、綠、藍三種發光二極體調整其各別亮度來達到白光，亮度比為 3 ： 6 ： 1 。利用紅、綠或藍黃兩顆 LED 調整其各別亮度來發出白光。但價格較貴。

2.利用藍光 LED 去激發黃色的螢光粉。

3.利用紫外光的 GaN 的 LED 去激發紅、綠、藍三色螢光粉來產生白光。

結論結論• 就市場的變化而言，以高輝度為主的 LED ，應用範圍正在擴大。主要應用

在大型看板、交通號誌、背光源、汽車第三煞車燈。在車用的方面，不僅是白光 LED ，包括紅、黃光等等的可視光 LED ，都已經開始被應用在汽車中的儀表板背光和方向燈、尾燈，而車內外裝飾部分的應用也都在急速的擴大中，從一些研究報告中可以發現，一部汽車對於 LED 的使用數量一直在增加，並且有很好的發展潛力。加上近期全彩手機風行，使白光背光源炙手可熱，未來技術若有進展，將逐步取代一般照明市場擁有龐大的商機。

參考資料參考資料• http://www.omdl.tw

• Gwo-Jiun Sheu,Farn-Shiun Hwu, Jyh-Chen Chen, Jinn-Kong Sheu, andWei-Chi Lai” Effect of the Electrode Pattern on Current Spreading and Driving Voltage in a GaN/Sapphire LED Chip” Journal of The Electrochemical Society, 155 10 H836-H840 2008

• http://www.led-shop.com.tw/page38.htm , LED 原理• http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=A1E 、高亮度 LED 技

術與應用趨勢