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高亮度LED关键技术待克服

  • 发布日期:2007-01-31 浏览次数528

  随着发光二极管发光效率的不断提高,发光二极管无疑为近几年来最受重视的光源之一。一方面凭借的其轻、薄、短、小的特性,另一方面藉其封装型式的耐摔、耐震及特殊的发光光形,发光二极管的确给了一般人们一个很不一样的光源选择。然而,目前已经看到led发展的困难包括散热问题,以及发光二极管特殊发光光形的利用等。如何克服,考验各家厂商研发能力。

   发光二极管有一个很大的特点,就是具备低电流、低电压驱动的省电特性,而这样的特性在世界能源缺乏及各国针对绿色环保观念的提升同时,尤其吸引大家的注意。目前各国政府除了致力于新型能源的开发外,对既有电器设备效率的提升及环保的研究亦投注相当的心力。而在研发如何降低工业用电量的同时,目前普及率约80%的家电用品耗电量也逐渐受到重视。在照明发光方面,以能委会估计的结果来看,若使用目前发光效率较高的荧光灯具(66~75lm/W)取代传统使用的60W白炽灯泡,在每年点灯时间为3,500小时的情况下来计算,一年约可节约的电量约6.89亿度(约8.86万kW)。

  而荧光灯具虽然有目前较高的发光效率、较低的制造成本等优点,但是因为荧光灯具的灯管中含汞,而用于封装荧光灯具的材料又以可吸收紫外线的玻璃为主,玻璃易碎的特性加上汞废料的不易回收,均会严重地造成环境的污染。因此欧盟已经明令将在2007年开始禁用这些含汞制品,也因此新型照明灯源的开发已经成为各国政府发展的目标,而led(light emitting diode),也就是我们平常说的发光二极管,更是目前各国在照明方面发展的重点。

发光二极管发光原理

  所谓的发光二极管其结构基本上就是传统的p-n二极管,但其主要功用并不是用来整流,而是利用其在加上正偏压后电流通过pn接面时,促使接面部分的电子电洞结合而放光,其发光的特性可参考图1。

  而发光二极管所发出光的波长除了决定于二极管所用半导体材料的波长外,也取决于不同材料间的混合比例。图2为各发光材料能带、晶格常数与发光波长间的关系,可以看出目前红、黄、绿光主要是以InGaAlP材料为主,而蓝、绿光则是以InGaN材料为主。

发光二极管之制程技术

  对于半导体发光二极管而言,晶格的匹配是一个重大的课题,因为对于大部分III -V族半导体而言,并没有刚好适合的基板(substrate)可承载上方的磊晶层,而成长的磊晶层其晶格大小必须与基板的晶格匹配,才不至于因应力的因素导致晶格缺陷,使得组件发出的光子被缺陷吸收,而大幅降低组件的发光效率。最早的III-V族半导体异构磊晶(heteroepitaxy)是采用 GaAs作基板,并在其上成长GaAlAs的磊晶层,因为这两种材料的晶格非常近似,所以磊晶层与基片之间的应力极小,因此研发过程中并无发生太大的困扰。但是后来陆续发展出来的磊晶如GaAs1-xPx成长在GaAs基板上,或是GaAsxP1-x成长在GaP基板上都有应力存在的问题。因此在光电材料中,往往会藉由调整二元、三元甚至四元材料的比率,这样一方除了可以藉不同大小的多元原子的比例来匹配基片的晶格结构,也可因为调整半导体的能隙大小,而调整发光组件发光的波长,唯这样的方法在磊晶参数的调整上也复杂许多,也因此可以看出,磊晶技术可以称为半导体发光组件技术中的核心。

  而在磊晶方法提升的同时,磊晶的结构也持续地在改良。最早的结构当然是传统p- n接面的发光二极管,但是其发光效率并无法得到明显地改良,因此利用单一异质接面(Single Heterojunction, SH)结构的方法开始被使用在磊晶的制程上,可以提高二极管中少数载子注入(minority carrier injection)效率,因此发光效率获得明显地提升。之后更发展出双异质接面(Double Heterojunction, DH)结构,这种结构两边的材料能隙高于中间者,因而可以非常有效地将双边之载子注入到中间层且将这些载子完全困在这一范围内,而产生非常高的光电转换效能。最新的方法当然是在磊晶层当中采用量子结构,当双异质接面结构的中间层厚度逐渐缩小到数10埃(A)时,电子或电洞即产生量子效应,而可大幅提升光电转换之效果。

  在此所提的磊晶技术主要是针对III-V族材料中发光波长集中在红、黄光波段材料的GaAs系列。这系列的发光二极管发展较早,也较早获得较佳的结果。但是若希望获得全彩的半导体光源,无论如何必须发展出蓝、绿光波段的半导体发光二极管,而GaN系列的发光二极管也在这样的需求下,在近年来有了明显的进步。

GaN制程困扰顺利克服

   应用于蓝、绿光发光二极管的材料,早期主要是ZnSe及 GaN。因为ZnSe有可靠度的问题,因此才让GaN有更大的发展空间。只是早期GaN的研究迟迟未能获得明显的进展,主要是因为一直无法找到与GaN晶格常数相匹配的基板,造成磊晶中缺陷密度过高,也因此发光效率始终无法提升。另一个造成GaN无法获得突破的原因,在于组件的P-GaN部分成长不易,不但P-GaN的掺杂(doping)过低,且其电洞之移动率(mobility)也

 

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