LED技术研发还有10年发展空间--LED显示技术网

LED技术研发还有10年发展空间 时间：07-01-10 12:59:19 阅读次数:

现正处于成长初期　产品未规格化　周期很短　机会也最多

编者按：发光二极管（LED）的亮度一直增加，效能表现精进，致使它成为广泛应用光源的机会大增，才是这几年的事。事实上，LED技术发展的空间非常大。晶元光电研发中心协理谢明勋表示，半导体产业进入成熟阶段，产品进入规格化，量很大，产业发展走向代工，厂商优劣就变成是在比管理。

相较起来，LED才处于成长起步阶段，产品规格还都不一致，产品生命周期也很短，虽然研发人员因此特别辛苦，但这时机会也最多。他认为LED的技术开发，可能还有10年可以玩，就像四元LED，每一年多就以50％的效能增加，未来技术发展可能超乎想象，或许以后的LED，会跟现在的完全不同也有可能。

■LED也有摩尔定律　每1824个月效能加倍

　半导体界有著名的摩尔定律，LED界其实也有一样的定律，这个定律由Lumileds的Roland Haitz所提出，他认为近30年来，每隔1824个月，LED的亮度（flux）就会倍数增加。

　LED是在1965年发明的，这个定律走了30年，那么最近准不准呢？答案是超前的，LED的效能表现比预期为快，例如原本估计2010年LED的发光效率可达100 lm/W，但现在看起来这个目标在最近就会达到。

　谢明勋给了这个定律一个巧妙的看法，他说只要有人提出一个趋势，产业界就会倾力去完成这个目标，所以其实定律表面看起来是描述产业进化，实际内涵是一种管理技巧。

　LED的效能提升就增加了它的应用机会，1960年代所发明的LED只是会亮而已，当时LED的用途是一种人机界面，以不同颜色的光显示是否通电；后来应用面逐渐打开，煞车灯、红绿灯等现在看起来已经是很普遍的应用。

　直到四元和蓝光LED兴起，大家似乎才意识到LED的价值，包括手机、车用、室外大型看板等应用已相当普及，现在最热门的LCD TV、笔记型计算机背光源和背投电视又是一个很大的市场，最终应用就是照明设备。

　现在冷阴极管（CCFL）的发光效率约70lm/W，Nichia日前发表已开发出100lm/W的LED，发光效率已经超越传统光源；理论上，LED的白光发光效率可以达到200lm/W。

■OMA加粗化　四元LED取出效率增为4倍

　LED的发光效率必须透过增加内在效能（internal efficiency）和取出效率（Light Extraction）两方面来增进，包括P-N junction发光层效率的改善，或用不同基板和各种长晶技术等各方面技术推进。

▲上2图说明P-N junction的不断改善，上图原本电子和电洞结合，只能产生少量光子，改变P-N junction结构后能够大幅增加光子数，也就是internal efficiency增加；下图则进一步进化到Quantum Well的建立，现在则发展出MQW，持续提升internal efficiency。（图片来源：晶元光电）

　先来看四元（(AlxGa1-x)yIn1-yP）LED，早期以GaAs为基板（substrate）在上面长晶，发出来的光有部分被黑色的基板表面所吸收，使发光效率不理想，改善的方式是长一层DBR布拉格反射层，使得光的反射增加，但这反射只能针对特定波长，大的角度会被吸收，所以也不是太理想，不过亮度却已增加了50％。

　后来Lumileds改采GaP为基板，使用透明基板避开了上述黑色吸收光的问题，基板和磊晶间采用芯片接合（wafer bonding）的方式，因此亮度又增为最初期的250％。这个技术奠定了Lumileds在四元LED为领导厂商的基础，Lumileds也因为该技术申请了多方面的专利，包括芯片固态接合技术及透明基板加工技术。

　那么台湾厂商要怎么样来解专利呢？首先是基板由GaP改为Si，表面则由透明基板改为金属镜面（metal mirror），接合方式改用胶来接合，这就是晶电发展的OMA（Omni-directional Mirror Adherence，全方位镜面接合）架构，亮度则再进一步增加为300％。这与Lumileds的方式有明显差异，一来不是用透明基板，二来不是用固态接合，而是用有机方式。

▲晶电的OMA技术，改用矽为基板材料，发光效率增加23倍，由原本的1520lm/W，增加到50lm/W。（图片来源：晶元光电）

　进一步的改善则是表面粗化处理，因为在原本平坦表面，入射角17度以内的光线可以取出，但超过17度就会反射回来，经过粗化处理后则可增加取出率，这时亮度又进一步成为400％。

　在与国联合并后，新晶电进一步研发国联原本的技术架构MB（Metal Bonding，金属接合）和GB（Glue Bonding），目前发光效率已可达80lm/W，预计年底进入量产。新版的GB进一步改变出光方式，使用蓝宝石（Sapphire）为基板，在实验室的数据则已达100lm/W。

▲GB和MB技术结构图（图片来源：晶元光电）

■蓝光LED研发致力内在效能提升

　四元LED的internal efficiency约为90％，但取出效率只有20％，因此技术上也致力将取出效率提升；蓝光（InxGa1-xN）LED则不同，内在效能仅30％，而因为原本就是使用透明基板，出光效率较高，为50％。

　蓝光LED由Nichia发明，使用Sapphire为基板，因为Sapphire为绝缘材料并不导电，因此P、N两极需镀于同侧方能导电；之后在表面再覆盖上一层TCL（Transparent Contact Layer）NiAu，使得电流能够扩散。这种结构可以长出低亮度蓝光LED，效率约为5lm/W，普遍使用在手机按键。

　不过NiAu会造成遮光，晶电遂把TCL换成ITO，使得发光效率提升为180％，成为高亮度蓝光LED；之后再进一步将表面粗化处理，发展出Venus，亮度可再提升1020％。ITO也成为高亮度LED的代表。

▲上图显示在蓝光LED上，Osram利用不同形状切割和上下改变来增加发光效率，而Osram的ThinGaN是现在相当主流的蓝光技术；晶电则将TCL采用ITO，使发光效率由约25lm/W增加到40lm/W，粗化后再增为60lm/W，ITO也成为高亮度蓝光的代表。（图片来源：晶元光电）

■越过Flip chip　Vertical Type最近兴起

　上述NiAu遮光效应致使光的穿透率剩下60％，后来Lumileds开发出一度相当热门的Flip Chip技术，将芯片反转，并在反转后的底座加上一个镜面，增加光的反射，镜面使用银或铝材质。但是该技术发光效率与Venus相仿，却多出package的成本。

　Vertical Type的LED是把原本水平架构的P/N电极，改为垂直架构。为增加导电，将Sapphire拿掉，背面改电镀铜，优点是增加效能，可以run到1A的电流。不过铜的热膨胀系数过高，半导体约6PPM/℃，但铜却超过17PPM/℃，因此铜并不是理想的材料，在高温下会有信赖度不佳的问题。

　最近Nichia和Cree/Osram都分别提出了Vertical Type架构，Nichia是使用CuW为基板，与磊晶之间用金属镜面黏合，Cree/Osram则是使用矽或锗（Ge）为基板，同样也使用金属镜面。

▲Vertical Type LED拥有发光面积增大、低电压电流均匀、改善ESD、封装由3接合面减为1个，并采用金属基板等好处。（图片提供：晶元光电）

　另外，韩国的LG Innotek则以电镀Cu而不是用接合的方式作为基板，这个技术晶电也拥有专利。不过因为铜的reliability会有问题，所以倾向Cree/Osram的技术结构较为可行。这些是最近一段时间的新技术，未来预期还会有很多产品趋势会发展出来。

　除此之外，基板由Sapphire一路进化到GaN，芯片尺寸也可能从2寸一路增加到8寸。如下图基板技术的演进，现在以ELOG（epitaxial lateral overgrown）和LEPS（lateral epitaxy on a patterned substrate）为主流，后者是在Sapphire上做一些形状，目前最新产品都已采用该技术基板。GaN则是最理想的基板材料，也是技术研发的目标。

▲基板技术由Sapphire进化到现在新产品主流为LEPS，基板尺寸则由2寸一路增加为8寸。（图片来源：晶元光电）

　另外还有一个技术发展是LED的驱动方式，目前以直流（DC）为大宗，但未来要走向照明，必须满足家用交流（AC）的供电模式，因此已有厂商朝AC LED来开发，如下图所示。

▲LED最终应用为照明，必须满足家用AC的供电模式。（图片来源：晶元光电）

　萤光粉的技术也持续在改善中，现在白光仰赖的蓝光加上黄色萤光粉，演色性并不好，未来可能利用多重萤光粉来改善。

　此外，现在笔记型计算机面板使用LED为背光源，追求薄型化是重要议题，侧光源技术很可能朝愈来愈小开发，最后可能就是chip on board。而LED最终用于照明，封装可能要从1W逐渐向上增加，最后要发展到20W。这些是LED多方面的技术发展方向。

谢明勋小档案

　年龄：52年次

　嗜好：阅读，尤好管理书籍，一年读20本，且摘要做成投影片；另好武侠小说和布袋戏，增加想象力

　运动：羽球

　人生哲学：要马儿好又要马儿不吃草是可能的，往往只是定义问题的角度不同而已。对于一个研发人员来说，改变定义，就能做到；R&D最重要的态度就是，想法不受拘束。