(Light Emission Diode, LED) ·...

發光二極體 (Light Emission Diode, LED)

(壹) LED產業概論 (1)LED發展歷史 (2)LED製程簡介

(貳) LED產品發展趨勢 (1)主流產品 (2)高功率LED技術發展趨勢 (3)高電壓LED技術發展趨勢

(參) 封裝材料特性

LED發展之演進歷史

White Light LED

White Light LED

LED 發展之演進歷史

LED是一種p-n接面，屬於半導體元件，材料使用III-V族元素，如：氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等

發光原理是由於光子在固體內的相互作用-自發放射（spontaneous emission）把電能轉換為光；也就是對化合物半導體施加電流，透過電子與電洞的結合，過剩的能量會以光的形式釋出，達成發光的效果。

其發光現象不是藉加熱或放電發光，而是屬於冷性發光，它能發射在紫外線、可見光以及紅外線區域內的自發輻射光

壽命長達十萬小時以上無須暖燈時間(idling time)、反應速度很快(約在10-9秒) 體積小、用電省、污染低、適合量產，具高可靠度，容易配

合應用上的需要製成極小或陣列式的元件，所以發光二極體的適用範圍頗廣。

何謂發光二極體(LED) ？

LED依發光波長分為:

(1)可見光LED(波長450～680nm) (2)不可見光LED(波長850～1550nm)兩大類。以磊晶層材料可分為:

(1) 二元化合物(如GaAs、GaSb、GaN等) (2) 三元化合物(如AlxGa1-xAs、AlxGa1-xP、In1-xGaxAs等) (3) 四元化合物(如 AlInGaP、InAlGaAs、AlxGa1-xAsyP1-y 等) (4) GaN系化合物(InxGa1-xN 、AlxGa1-xN)四大類。高亮度LED是指以四元化合物及GaN系化合物所製成LED。依其驅動電流大小，可分為標準型(Standard)、高電流(High-current)與高功率(High power)三大類

標準型產品: 泛指驅動電流≦20mA高亮度LED，封裝型態多為SMD或Lamp型，主要應用於可攜式產品等體積小應用市場。

高電流型產品: 泛指驅動電流在 50～150mA高亮度LED，封裝型態多為食人魚型或PLCC型，主要應用在汽車、照明等要求高光通量輸出市場中。

高功率產品: 泛指驅動電流≧150mA 高亮度LED，其中又以驅動電流350mA為主流。主要應用在汽車、照明、大尺寸LCD顯示器背光源等要求高光通量輸出市場中

多晶型產品: 為在單一封裝結構中，包含有兩顆以上不同光色晶粒，藉此達到多光色表現，主要應用在手機指示光源、彩色看板、汽車車內光源與照明等場域中。

白光LED的發明是自從愛迪生發明燈泡以來，照明史上最具革命性的突破進展

照明史上革命性的突破進展

S. Nakamura Ph.D

中村修二博士愛迪生

LED光源與傳統光源性能對比

名稱耗電量(W) 工作電壓(V) 協調控制發熱量可靠性使用壽命(h)

鎢絲燈 15~200 220 高高低 3000

節能燈 3~150 220 不宜調光低低 5000

金屬鹵素燈 100 220 不易極高低 3000

霓虹燈 500 較高高高宜室內 3000

鎂氖燈 16WPm 220 較好較高較好 6000

日光燈 4~100 220 不易較高低 5000~8000

冷陰極 15WPm 需逆變較好較好較低 10000

LED燈極低很低多種形式極低極高 100000

http://1-apple.com.tw/index.cfm?Fuseaction=Special&SpecialID=2447947&Sec_ID=5&catcol=cat

(1)由於紫外光LED具備波長短、適於細微感測等特性，符合高演色性、發熱少、穩定性高之光源需求，因此，在特殊應用領域仍被看好，例如殺菌用途、生醫特殊用途、樹脂硬化(水銀燈用於環氧樹脂硬化，LED燈則用於丙烯酸樹脂的硬化)、預防半導體電路腐蝕、紙鈔識別用途（應用於自動販賣機等等）、吸引昆蟲（農業應用等等）。

(2)目前從事紫外光LED磊晶片、晶粒生產的日商以Nichia、Nitride Semiconductor等為主。而Nitride Semiconductor雖然從UV LED磊晶片、晶粒、封裝、應用產品都有供貨，但基本上是以355nm~400nm小功率產品為主。

(3)美商SemiLEDs也銷售大、小功率的紫外光LED晶粒，子公司Silicon Base Development提供客戶紫外光LED之封裝服務。至於台灣廠商則有璨圓、泰谷、新世紀、廣鎵等公司投入開發短波長紫外光LED（315~400 nm）產品。

(4)雖然紫外光LED晶粒加上紅、綠、藍三色螢光粉，即可產生高演色性的白光，但受限於發光效率及價格成本等因素，目前市面上紫外光LED還是單純以紫外光波段的應用領域為主，尚難打入白光照明之應用領域。

(5)LED在醫療領域的應用方面，普遍都需要高演色性、發熱少、穩定性高的光源需求，這也是紫外光LED值得關注的利基市場。特別是375 nm和280 nm前後的紫外光，可應用於空氣清淨機、淨水器，以及戴奧辛、環境荷爾蒙、農藥等的淨化等。以這兩波長光源激發光觸媒，其殺菌力更佳；其中殺菌力強大的280nm的紫外光LED晶粒正持續研究當中。

紫外光(ultra violet, UV) LED

LED產業發展瓶頸:

(1) 發光效率不足 (2) 缺乏核心專利 (3) 缺乏標準規範 (4) 光源品質低 (5) 應用市場掌握不足 (6) 產品附加值低等困境。

LED市場發展趨勢:

為全球第一大高亮度大廠，擁有藍光技術多項專利，為藍光晶粒製成白光LED的代表性廠商。主要競爭優勢是擁有InGaN藍光及綠光LED專利。

(日亞化學)

原與Infineon共同成立，於2001年Osram買下所有股權，目前100%持有。歐洲最大高亮度LED廠商，亦為全球高亮度第二大廠。巿場應用以汽車應用為主。

美國發展藍光LED主要公司，為紫外光晶粒製成白光LED的代表廠商，亦為全球SiC(碳化矽)基板最大廠商。主力產品藍綠光高亮度LED材料、元件。

Agilent由HP獨立並與歐洲Philips公司於1999年成立Lumileds，為北美第一大廠，全球第三大高亮度廠商。主力產品InGaAlP四元高亮度LED。

日本藍光LED主要廠商。主力產品專注在InGaN的生產，白光與東芝合作。

(豐田合成)

背景介紹廠商

歐、美、日LED主要廠商

LCD 背光源(backlight)應用 Seoul

Future applications of W-LED: Automotive headlights

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Epitaxy Wafer(磊晶片) LED Chip(晶粒,Die)

LED 產業結構

Nichia

Lumileds

Osram

TG

Cree

Taiwan, Inc.

BridgeLux

MOCVD

Reactors

(反應爐)

Asian

Packagers

Epitaxy

(磊晶) Chips

(晶粒)

Lamps(燈泡)

或光源

Commercial

MOCVD

Reactor

Vendors (Veeco, Aixtron)

基板 (Substrate)

氮化物-LED 基板種類: (1) Silicon(矽) (2) SiC (碳化矽) (3) Sapphire(Al2O3)藍寶石 or (三氧化二鋁) (4) GaN(氮化鎵)

Si wafer (矽晶圓)

矽(Si)

SiC Ingot(晶柱)

SiC (碳化矽)

藍寶石晶柱(Ingot)與Sapphire (Al2O3,氧化鋁) -基板(Substrate) 2”~ 6”(直徑)

330 μm

↓

430 μm

(1)目前業界最普遍使用的長晶技術為KY法，優點為成本相對較低，適合大尺寸晶棒生長，但缺點為操作複雜，包括美商Rubicon及俄羅斯Monocrystal、台廠越峰及鑫晶鑽等，均採用KY生長技術。

(2)南韓藍寶石業者STC從2010年起產能大幅擴充，並在2010~2011年產能規模竄升至全球之首，一舉超越美國Rubicon及俄羅斯 Monocrystal，STC採用的獨佔技術為VHGH生長法，優點為純度高、長晶大小及形狀不受限制，日系廠商並木及Kyocera則採用 EFG生長技術，構造較為複雜，且純度及雜質含量也不如KY及 VHGH法。

(3)2011年全球前10大藍寶石晶棒廠產能大幅擴充，將可望達到單月 580萬mm，相較於2010年呈現倍數成長，其中亞洲廠商產能比重已超過6成。

藍寶石生長

SiC InGaN MOVPE 藍、綠 460、525 GaN InGaN MOVPE 藍、綠 460、525

180 120 150

LED 長晶(磊晶) ？

MOVPE 設備供應商

磊晶技術:設備與能力

光電元件之磊晶技術比較

Two Flow Reactor

(1) Reactor design

(2) System pressure

熱對流、擾流

質傳理論(mass transport) —反應物濃度,厚度

磊晶系統 : 氣體管路配置

磊晶片(Epiwafer)量測分析設備

(x-射線繞射儀)

(電子、電洞濃度)

(光螢光譜)

(縱向雜質摻雜濃度測試)

(薄膜厚度)

(掃描式電子顯微鏡)

(顯微鏡)

(1) 全自動電化學C-V縱向雜質摻雜濃度測試系統 (ECVPro)

(a)可作半導體材料及外延層材料濃度縱向分佈測試 (b)應用材料：IIIV GaAs, GaN, IIVI族, Si及寬頻半導體材料

(2) 全自動螢光光譜儀(photolumincence, PL) / PL Mapping

(b)化合物半導體材料/LED/LD外延生長特性分析使用

(a)可快速量測晶圓圖譜包括峰值強度、波長、半高寬及積分強度。

(3) 霍爾效應(Hall effect)測試系統

(a)可測試半導體材料及外延層材料電阻係數(ρ)，載子濃度(p、n)及遷移率() (b)應用材料：Si、III-V、II-VI和寬禁帶半導體材料，CIGS銅銦鎵錫薄膜 (c)無需對Sample加工，即可以Van Der Pauw、Bar、Bridge三種形式測試 (d)使用永久磁場：磁場強度0.32T ±1%，十年內漂移率小於0.1%，中心 25mm內磁場均勻度小於±1%，磁場強度選擇0.1、0.2、0.4、0.5T (e)可測試高達100GΩ/□之樣品 (f)可在90~500K或室溫-600°C之變溫測試

磊晶片(Epiwafer)量測設備功能:

(4)X射線繞射儀 X-Ray Diffraction Metrology (a)量測厚度與成份,並得組成與結構之XRD 。 (b)應用於GaN、Strained Silicon、optoelectronic and wireless材料測試。

(5)Alpha(α)- step: 薄膜厚度測量； α-step 量測是以機械傳動的方式，使探針在試片表面由鍍膜區掃向未鍍膜區，在此距離內試片表面上高度的差異，則機械訊號經由轉換器轉換成電子訊號並加以放大，最後經由微處理機計算而畫出剖面圖，其高度差即膜厚

Double Heterostructure(雙異質結構) p-n Junction.

Cladding Layers (e.g. GaAlAs)

+V -V

Electrons Holes Active Layer

(e.g. GaAs)

hn

Conduction

band

Valence

band

Conduction band

Vanlence band quantize

state

AlGaN GaN

Eg1 Eg2

Eg1 Eg2

d1

(barrier)

d2 (well)

多量子阱(multi-quantum well, MQW)

TEM(穿透式電子顯微鏡)

多量子阱(MQW) Sapphire

U-GaN

N-GaN

(MQW)

P-GaN

GaN buffer

InGaN

GaN

Sapphire (Al2O3)

InxGa1-xN / GaN

MQW

n-GaN

P-GaN

U-GaN Buffer layer

GaN Technologies For Lighting(照明) (1)

Conventional

From: LUMILEDS & Semileds

Flip-Chip(覆晶)

突破半導體照明市場現況

•創新是競爭唯一途徑

•建立專利分析能力

•找出降低成本的突破性方法

•在基礎科技上投入研發

•掌握消費者市場

照明的需求與High-power LED 發展

傳統LED晶粒結構

氮化物

(抗反射層)

透明基板

共晶

(磊晶技術)

(圖案化基板)

High Power LED 目前可分為下列四大主流。理由大致有如下四點:

第一: 須色彩鮮豔的採用 R,G,B Chip 作背光源。如 LCD-TV ,“TRUE WHITE Hi” (技術產品成熟) 。

第二: 需高亮度的採用 Blue-chip + Y phosphor。 “WHITE Hi” (技術產品成熟)

第三: 須色彩鮮豔及高亮度的採用 UV-Chip + R,G,B Phosphor。“TRUE WHITE Hi” (技術產品尚未成熟) 。

第四: 需求色彩鮮豔及高亮度的採用 Blue-Chip + R,G,Y Phosphor。 “TRUE WHITE Hi” (目前可實現最佳產品) 。

「晶片式交流電發光二極體照明技術」（簡稱AC LED）

將一堆LED微小晶粒採用交错的矩陣式排列工藝均分為五串，AC LED晶粒串组成類似一個整流桥，整流橋的两端分别联接交流源，另两端联接一串LED晶粒，交流的正半周沿藍色通路流动，3串LED晶粒发光，负半周沿绿色通路流动，又有3串LED晶粒发光，四个橋臂上的LED晶粒輪流發光，相对橋臂上的LED晶粒同时發光，中間一串LED晶粒因共用而一直在發光。

AC LED光源的工作原理

一.準備材料-單液型材料～脫泡作業

• 將回溫完成的單液型材料放入一定（一倍大）容量的容器內。

• 直接進入真空脫泡程序後使用

＊條件 - 壓力設定於10mmHg以下，經減壓形成的氣泡在溢滿出容器前恢復至常壓破泡，同一步驟往復數次後，再經過靜置，便可完成脫泡動作。

真空脫泡

封裝(Package)

封裝的目的:為保護裡面的晶片以及放大電極方便電路電源或控制訊號線路之引接

Adjustment to the viscosity that penetrates

to the small holes

KJR-9015A KJR-9015B

Silicone-A/B

一.準備材料-兩液型材料（1-1. 調配A/B材料）

Silicone等A/B兩液型材料的混合使用方法

1 : 1

散熱基板基板特性

PCB Low performance & Cost(CTE 13-17ppm,K=0.36W/m.k) Large Panel Sizes, up to 0.004”(100um) Cu Thickness.

MCPCB Matel Core

PCB

.Moderate to high cost, high CTE(17~23ppm)

Low thermal conductivity through dielectric(K=1-2.2W/m.k)

Operating temperature limited to ~140’C, process temperature

limited to 250~300’C.

Large Panel Sizes(18X24”), Cu Thickness available for heat

spreading (1~20mil)

Ceramic (Al2O3/AlN)

Medium to high cost, Low CTE(4.9~8ppm) , Medium to high

thermal conductivity (K=24-170W/m.k)

Small Panel Sizes(

新研發各種金屬複合基板材料及其熱特性比較

Material Thermail Cond. (W/m.k)熱傳導率

CTE(ppm/k)

熱澎脹系數

Specific Gravity

比重

Specific Thermail

Cond.(W/m.k)

Cu-Mo-Cu

Cu-Invar-Cu

SiC/Al

184

164

170~220

7.0

6.02

8.75~11.5

10

8.45

2.9~3.0

18.4

19.4

57~ 73

連續碳纖Cont.CF/Al

不連續碳纖Disc.CF/Al

連續碳纖Cont.CF/Cu

不連續碳纖Disc.CF/Cu

片狀石墨Gr Flake/Al

300~800

218~290

330~800

300~400

400~420

3.2~11

4~7

6.5~9.5

7~ 10.9

6~ 7

2.3~2.5

2.3~2.7

4.2~6.8

4.5~6.6

2.3~2.7

120~315

92~100

50~200

50~100

195~200

Diamond/Al

Diamond+SiC/Al

Diamond/Cu

CVD Diamond

400~600

550~600

600~1200

1100~1800

4.5~5.0

7.0~7.5

5.8

1 ~ 2

3.4

3.1

5.9

3.5

174~260

177~260

330~670

310~510

LED-LAMP封裝樣式差異

1 2

3 4

利用發光二極體(LED)產生白光途徑與原理 Blue-LED晶片+R,G,Y 螢光粉 = 白光 UV- LED晶片+R,G,B 螢光粉 = 白光

以前重點現在趨勢熱門趨勢未來趨勢

1. USPAT; http://patft.uspto.gov/http://www.pat2pdf.org/

2. 中華民國專利資訊網 http://webpat.twipr.com/webpat/WebpatDefault.aspx

3. 工研院電子與光電研究所 4. 南帝科技股份有限公司 5. 台達電子股份有限公司

References
http://webpat.twipr.com/webpat/WebpatDefault.aspxhttp://webpat.twipr.com/webpat/WebpatDefault.aspxhttp://webpat.twipr.com/webpat/WebpatDefault.aspx

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