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LED 投資新趨勢 Presented by 李仁凱 Outline 氮化鎵基板 矽基板 光子晶體LED 紫外光LED 交流LED 無極性LED 垂直結構LED 結論 參考資料 氮化鎵基板 利用氮化鎵薄膜同材質製作成基板，發 光效率與散熱等等優點、優於藍寶石基 板。 氮化鎵基板可以大幅度降低氮化鎵薄膜 的缺陷及磊晶可能產生缺陷的疑慮。 氮化鎵基板優點 優點 硬度低、容易加工。 導熱速度係數較高(2.2W/cmK)。 GaN基板為導電材質。 氮化鎵基板缺點 缺點 台灣尚無基板的製造與供應商。 晶片價格昂貴。 基板比較 氮化鎵基板 藍寶石基板 矽基板 在矽基板上成長GaN薄膜將可以大幅降 低成本與價格、但是GaN薄膜與矽基板 間的晶格常數不匹配，並且材料間熱膨 脹係數差異也有54%。 所以在基板上成長薄膜會因為彼此應力 過大而造成薄膜內的缺陷密度過高，進 而降低效率 氮化鎵系列LED之基板比較 項目 藍寶石基板 碳化矽基板 氮化鎵基板 矽基板 玻璃基板 發展現況 商品化 主流技術 商品化 商品化 商品化 研發中 基板供應商 Saint-Gobain Kyocera Crystal System 新光社(日) Cree TDI 新日鐵 Sicrystal(歐) Nitronex AZZURRO 研發中 元件供應商 Lumileds Osram Epistar Nichia etc Cree Osram 商品化尺寸 2吋 2吋、3吋 2吋 2吋 研發中 應用 藍光LED 藍光LED 藍光LED、LD 藍光LED RF裝置 藍光LED 優點 低成本 缺點 晶格不匹配 Sumitomo Cree Samsung Hitachi cable Kyma Technologies SONY Nichia NEC Panasonic Nitronex OKI TriQuint 晶能光電 導熱性極佳 晶格ㄧ致 低成本 導電性佳 熱膨脹性與化學穩定性高 尺寸大型化容易 機械性佳 導電性佳 導熱性佳 易加工 導熱性佳 導電性佳 成本高 成本極高 晶格不匹配 發光效率差 研發中 低成本 晶格不匹配 光子晶體LED (Photonic Crystals) 傳統LED受限於全反射或橫向波導效應，無法 將發光層的光全部取出、會有部分光被阻擋住、 所以在LED結構中加入光子晶體就可以克服全 反射障礙提高發光效率。 最近數年受到全世界產學研界廣泛的注目，原 因在於光子晶體提供光線傳輸一個全新的平臺。 光子晶體LED原理 光子晶體是類似於週期性的介電質分佈 的結構。高低折射率呈現規則性的交錯 分布，透過人為控制其折射係數與介電 常數。就因為特殊的週期性排列，可以 對特定頻率的光作反射。達到類似於表 面粗化的效果。 光子晶體LED結構 一維是所謂的薄膜，有抗反射膜，全反 射膜。 二維應用非常多，可分為波導元件，分 光元件及干涉儀。 三維最為多樣且複雜，最簡單的結構想 像成許多的奈米尺寸的結構，緊密而有 週期地堆積，其反射光顏色會隨著各種 角度而變化。 一維光子晶體 是用半導體鍍膜的方式，長出一層層適 當的厚度，與適當折射率的材質。 二維光子晶體 目前應用以二維結構為主、利用兩種不 同材料交錯生長在晶片上，再表面形成 二維陣列的特定形狀、如柱狀、洞狀等 結構，改變其週期、深度及蝕刻後底部 與發光層的距離來得到最佳光取出效率 或是改變其空間分佈。 紫外光LED 發光波長為250nm~380nm、應用於殺菌、 醫療、生化檢測、無線傳輸等等。目前 常見產品為驗鈔機。 UV LED搭配紅/藍/綠螢光粉可以合成為 白光。 合成的白光LED 利用UV LED搭配紅/藍/綠螢光粉合成白 光其注入電流增加時、發光光譜不會有 太大改變，色度穩定性大，光譜範圍廣， 演色性也較佳。 其發光效率及均勻性也比藍光LED加YAG 螢光粉所產生的白光LED更優。 UV LED缺點 有紫外光外洩之問題產生，因為LED封裝 使用的是環氧樹脂、長期使用會因長期 照射下出現劣化，進一步影響壽命及可 靠度的問題。 交流LED LED為二極體結構、必須以直流電源方式驅動。所以用 再交流電時必須搭配一個變壓器與整流電路才能順利 操作。 韓國首爾生產出2W與4W的AC LED。AC 110 2W 是 2006年11月左右量產上市、AC 110 4W 是 2007年 11 月底左右量產上市。 AC 110 LED 2W & 4W AC 110 2W AC 110 4W AC 110 2W .V.S 一般 DC HI-POWER LED 3W DC HI-POWER LED 3W 無極性LED 為了因應未來高功率照明時代來臨、發 光元件就必須有更加的光電轉換效率、 所以開發無極性GaN結晶、來實現高效 率LED的一種新技術。 改善無極性LED所形成的問題 由於GaN系列的藍光LED，無論是採用藍寶石或碳化矽 為基板都是在其極性表(C軸) 、順著晶體的C軸生長磊 晶薄膜、其晶體內會呈現非對稱排列、產生自然極性 問題、形成強烈內建電場導致出現量子侷限史塔克效 應、也就是使元件能帶傾斜、波長紅移等等問題產生。 而無極性或半極性的GaN磊晶薄膜可以改善傳統LED能 帶傾斜等問題、進而提高內部量子效率的目標。 光電轉換效率 外部量子效率(external Quantum Efficiency) 內部量子效率(Internal Quantum Efficiency) 取光效率(Light Extraction Efficiency) 如果要發展高亮度LED相關技術就必須提高IQE 跟LEE的數值。 目前中村修二近年發表使用無極性GaN 系基板製作出20mA電壓驅動、可達到 28mW的輸出、波長402nm的紫外光LED。 若是在200mA電壓下、光輸出功率可以 達到250mW。 垂直結構LED 垂直結構可以改善傳統LED電流分布問題、 提高發光效率、P電極遮光問題。 結構比較圖 結論 在未來不管是亮度提升或是降低生產成本、不管 採用哪種結構、所面臨到的問題還是必須要解 決、如熱產生、光的全反射、發光效率等等。所 以LED所應用的產品將會慢慢的出現、而發光效 率卻會越來越高。 參考資料 http://www.mobile01.com/topicdetail.php?f=168&t=516962&last=4923046 http://www.cc.ncu.edu.tw/~trich/Intro.htm http://proj.ncku.edu.tw/research/articles/c/20080307/7.html http://www.sciscape.org/news_detail.php?news_id=985 http://cdnet.stpi.org.tw/techroom/tech/tech_05001.htm http://nano.nchc.org.tw/photonic/ch1.php http://ssttpro.acesuppliers.com/news/new_1.asp?newsid=966 http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1607060409779 LED投資新趨勢,楊淑慧 金微華 陳重亨,財信出版社,2008年4月