■LED技術(shù)發(fā)展與市場應(yīng)用 眾多門檻尚待突破

　　在眾多半導(dǎo)體材料中，LED只是其中一種，其主要結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)磊晶狀態(tài)，并利用電能直接轉(zhuǎn)化為光能的不變原則下，可在半導(dǎo)體內(nèi)正負(fù)極2個端子施加電壓，當(dāng)電流通過時，促使電洞與電子相互結(jié)合，其它剩余能量便會以光的形式產(chǎn)生釋放，其能階高低使光子能量產(chǎn)生不同波長的光，以致于造就LED為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)鏈。

　　另一方面，在下一代照明設(shè)備與區(qū)域網(wǎng)絡(luò)光通訊應(yīng)用慢慢成形之際，LED勢必將會散發(fā)出更為耀眼光芒與前景；這是因為在與一般發(fā)熱鎢絲燈泡或者是水銀日光燈相較之下，LED光源具有較高發(fā)光效能、壽命長久、省電性能佳，甚至具有低污染等優(yōu)勢。由此可見，各種照明設(shè)備及顯示光源市場需求擴(kuò)大，形成規(guī)模效應(yīng)、技術(shù)效應(yīng)等趨勢，逐漸形成LED廠商趨之若鶩情況，以及大力投入高效能LED開發(fā)技術(shù)。

　　雖然白光LED技術(shù)成熟度目前已發(fā)展到某個階段，但…畢竟單顆的LED功率大約是0.1W左右，光通量會有所限制；換句話說，就是必須將多顆LED經(jīng)由整合后，才能以“新一代光源”取代白熾燈源。雖然作為室內(nèi)用照明光源燈具等實際應(yīng)用案例，或多或少都已市場上出現(xiàn)應(yīng)用，不過，其高單價實在難以普及性的推廣；因此，要符合市場所期待的合理價格，尚須等上一段時間。

　　因此，LED照明能否持續(xù)擴(kuò)大市場，其主要問題在于亮度、專利權(quán)柯斷、使用特色、單價過高…等癥結(jié)；因此，在這一兩年之內(nèi)LED照明要完全取代室內(nèi)照明設(shè)備，其難度相當(dāng)高。不過，絕大多數(shù)LED廠商還是不愿放棄，持續(xù)地嘗試進(jìn)入其它特殊應(yīng)用市場為基礎(chǔ)，例如：戶外大型顯示器、車用指示燈、儀表板、手持式產(chǎn)品背光源、交通標(biāo)志…等多項信息系統(tǒng)應(yīng)用，借以累積實力及經(jīng)驗持續(xù)加強(qiáng)開發(fā)LED照明技術(shù)，期盼未來能將LED以生俱來特性發(fā)揮至極，開創(chuàng)出照明設(shè)備新的一番局勢。

　　■擺脫國外大廠專利權(quán)糾纏 迫切發(fā)展獨有LED專利權(quán)實力

　　自從LED技術(shù)發(fā)展至今，超高亮度多數(shù)LED專利權(quán)大都掌握在歐美、日等LED大廠手上，技術(shù)層次不高的臺灣廠商，則為了規(guī)避猶如天網(wǎng)交織的LED專利權(quán)，無法采用最具效率之技術(shù)，使技術(shù)與產(chǎn)品卻只能在中、低階層應(yīng)用市場打轉(zhuǎn)，因此，要如何打破這個窘境，便成為臺灣LED廠商當(dāng)務(wù)之急。在中興大學(xué)材料工程學(xué)系實驗室研究中，就是將精密機(jī)械制造概念引入半導(dǎo)體制程中，以自行設(shè)計的設(shè)備，結(jié)合反射鏡及低溫?zé)釅菏骄A黏貼技術(shù)，成功制作出高反射率且散熱良好的新型超高亮度LED。

　　在制程成本及復(fù)雜方面，還可以比美、日等國降低不少成本，甚至在產(chǎn)品良率、省電效率、發(fā)光等效能上，都不遜于美、日LED產(chǎn)品。中興大學(xué)材料工程學(xué)系實驗室則是以全新研發(fā)設(shè)計技術(shù)，成功研發(fā)出比傳統(tǒng)LED更為明亮度，價格還能持續(xù)降低的高效能LED，將可望協(xié)助臺灣廠商發(fā)展出更具國際競爭力的LED產(chǎn)品。而在技術(shù)轉(zhuǎn)移方面，已授權(quán)給臺灣多家廠商后，低價成本、質(zhì)量優(yōu)異的LED新產(chǎn)品，已銷售到日本、韓國和中國…等亞洲地區(qū)，頗受全球光電大廠關(guān)注。

　　■光的重要性與其致勝之道

　　隨著這幾年磊晶技術(shù)迅速發(fā)展之下，經(jīng)由選擇高純度的單晶原料，再由適當(dāng)溫度控制及精確地掌握各組成元素分子大小匹配性，已可獲得高質(zhì)量雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體或量子井結(jié)構(gòu)的LED，便能將不同種類的單晶元素逐層地建構(gòu)起來。更進(jìn)一步討論，電光轉(zhuǎn)換效率也就是內(nèi)部結(jié)構(gòu)量子化效率（Internal Quantum Efficiency；IQE）已經(jīng)高達(dá)90％以上；另外，在可見光LED材料選擇上則是以AlGaInP為最大宗，這是因為其晶格常數(shù)（lattice constant）與GaAs基板具有絕佳匹配性。不過…由于GaAs基板能隙小于這些材料能隙，加上LED所散出的光又屬于等向性光源；因此，有將近50％光源會在進(jìn)入能隙較小GaAs基板時，便會受到吸收或者耗損。　除此之外，倘若LED結(jié)構(gòu)沒有適當(dāng)?shù)匕才烹娏鞣植�，本身材料也會吸收其光源，而光源將從高折射率半�?dǎo)體傳遞到外圍的低折射率空氣（n＝1），絕大部分的光源將會受到反射影響，真正的問題將發(fā)生在LED外部量子效率（External Quantum Efficiency；EQE）大幅減少，甚至可能會低到剩下幾個百分比而已。

　　為滿足上述問題，并提出因應(yīng)的解決之道，中興大學(xué)武博士所研發(fā)出高亮度LED制程技術(shù)，也就是將結(jié)合反射鏡及芯片黏貼技術(shù)為主要基礎(chǔ)概念，用一個具有反射鏡的基板，再采用自行研發(fā)的工具進(jìn)行芯片黏貼動作，以低溫（350450℃）、短時間（1530min）熱處理，黏貼至LED磊晶膜上，而后再將會吸光之GaAs基板去除。

　　在反射鏡材料選擇上，則可選用應(yīng)用在LED之P型歐姆接觸（Ohmic contact）材料，如：AuBe（金鈹）或AuZn（金鋅）合金材料，這是因為AuBe、AuZn等合金材料具有低蒸氣壓、高融點、高表面原子擴(kuò)散速率等特性，不但可使這項制程過程能夠使金屬與半導(dǎo)體接合在一起，達(dá)到理想上零壓降，且具有雙向?qū)ǖ碾娦蕴匦裕瓿蓺W姆接觸。

　　另一方面，還可作為LED與永久基板附著層之用，并具有反射鏡功能，再經(jīng)實際驗證后，LED亮度確實有比GaAs作為吸光基板來得更具改善效果。至于前段所提到具有低溫及短時間熱處理特性，便能使LED電特性仍舊可保持原先在黏貼之前LED的相同電性。

　　■基板材料選擇 關(guān)乎LED亮度優(yōu)劣

　　以光源的角度來看，大部分基板選擇都以透明材料為主，用來減少光的阻礙，要不然就是在基板與發(fā)光層中間，添加具有反光性質(zhì)的材料層，借以避免光源被基板吸收或阻礙，導(dǎo)致不必要的光能浪費。

　　在過去LED基板材料選擇大都是采用玻璃基板或是以塑料基板為主，雖然具鏡面特性的玻璃基板可大幅改進(jìn)LED元件特性，不過在高電流工作下，卻又容易存有散熱較差的現(xiàn)象；而塑料基板的抗沖擊性較佳，甚至可進(jìn)行一定角度的彎曲，但在高溫制程中，塑料基板則可能會受到破壞，或者容易穿透水氣，而造成有機(jī)材料穩(wěn)定性不佳等問題。

　　有監(jiān)于此，若以矽基板作為永久基板之用，則因為矽基板對熱的導(dǎo)系數(shù)表現(xiàn)要比砷化鎵基板來得更好，且具有良好散熱性的永久基板，可將裸晶所釋放出的熱能，快速導(dǎo)入下一層的散熱塊上。至于在經(jīng)過芯片黏貼開發(fā)技術(shù)之后，可避免LED材料與矽基板因為熱膨脹系數(shù)不同，所導(dǎo)致的熱應(yīng)力問題，采用該技術(shù)不僅可順利開發(fā)出高反射率、超高亮度LED，并且是一個散熱極佳的LED產(chǎn)品。

　　▲在晶圓經(jīng)過完整的黏貼動作之后，散熱基板便具有高亮度發(fā)光二極管晶粒特性(a)600m、(b)1.2mm。（資料來源：中興大學(xué)材料工程學(xué)系）

　　基本上，反射鏡LED技術(shù)最大優(yōu)勢在于，不論是價格便宜玻璃基板或者是矽基板，都可在基板上鍍上一層適當(dāng)厚度的金屬反射鏡，再搭配上低溫、短時間熱處理的芯片黏貼技術(shù)，便能將LED黏貼到反射鏡上，再去除掉原先具有吸光的GaAs基板，可制作成垂直元件，使磊晶膜面積能夠獲得有效利用，并以平面電極元件達(dá)到玻璃作為永久基板的高亮度發(fā)光二極管，或以矽芯片作為永久基板超高亮度發(fā)光二極管，進(jìn)而開發(fā)出另一種簡易、低價位，還具有成功率高的高亮度發(fā)光二極管制程技術(shù)。

　　其反射鏡二極管主要制程技術(shù)，在磊晶基板上成長出一個具有光電效應(yīng)發(fā)光能產(chǎn)出單元，再形成一個與該光能產(chǎn)出單元達(dá)到歐姆接觸的第一導(dǎo)電層，便能獲得最初的半成品。而在最初半成品的相反面磊晶基板表面上貼附一個暫時基板后，便可移除該磊晶基板，使該光能產(chǎn)出單元及磊晶基板相連結(jié)的表面裸露，制得第二階段的半成品。在第二階段半成品移除該磊晶基板，而使裸露光能產(chǎn)出單元表面形成一個具有可反射光的反射鏡面，再經(jīng)由雷射作用后，使該反射鏡面與該光能產(chǎn)出單元形成歐姆接觸，便可獲得第三階段半成品。最后，則是在該第三階段半成品的反射鏡面上形成一個永久基板后移除該暫時基板，制得該具有反射鏡面的發(fā)光二極管。目前在實驗室的研究，初步已成功研發(fā)2寸與3寸芯片黏貼用制程技術(shù)，且開發(fā)2寸與3寸晶圓芯片黏貼技術(shù)，以及制作出具有鏡面基板的高效率發(fā)光二極管，其芯片黏貼率已達(dá)到90％以上（如圖示），并已具有大量生產(chǎn)能力。利用此些技術(shù)可制作大面積、高功率之高亮度元件，發(fā)光元件亮度可達(dá)200流明（2.5mm、2.5mm、1安培）、最高出光效率可達(dá)27lm/W（626nm）。除此之外，該技術(shù)還能應(yīng)用在白／藍(lán)光的大面積LED，提高取代既有白熾光燈或日光燈等照明產(chǎn)業(yè)之用。

　　▲中興大學(xué)已成功開發(fā)出2寸及3寸高亮度發(fā)光二極管磊晶膜成功貼合至具金屬反射鏡面之矽基板技術(shù)，其芯片黏貼率高達(dá)90％以上。

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