在世界上近十年來，LED發光二極體發展極為迅速，尤其是為了踏入照明領域，LED上游廠商及各學術單位均不遺餘力的研發高亮度LED晶粒，隨著LED亮度增加，從以前只能用於指示及室內顯示而延伸到戶外警示燈、交通路誌燈及各種顯示看板。

材質與製程突破

氮化鎵材質的不斷提升，不僅彌補了以前Gap及InGaAIP系列材料的亮度不足，更使得在可見光領域裡高亮度LED的生產成為可能，也因此使照明應用的研發極具吸引力。

二六族材料的應用

LED高亮度的發展除了從材質上著手以外，還有從大晶粒、發光效率的開發，以及如何提高LED的驅動電流來得到高亮度，以前AIGaAs和InGaAIP LED Chip亮度提高很快，然而這兩種材質的活性層能帶結構限制了只能用於長波長的可見光發光二極體，所以為了得到藍光和藍綠光發光二極體，而採用了二六族材料或InGaN材料，在應用領域中，這類元件竄起極為迅速，而二六族材料有較軟的缺陷，使得氮化鎵基材料成為製作紫光、藍光、綠光等發光二極體元件的唯一可用材料。(圖一)

《圖一　傳統光源與LED光源的演進》

LED應用現況

目前已經可以做出高功率、高亮度氮化鎵基藍、綠光晶料，因而可應用於汽車警示燈、交通號誌燈、全彩大屏螢幕顯示器等以前LED晶粒所無法達到的應用領域，這種氮化鎵基晶粒的製造應歸功於MOCVD製程的研發，在氮化鎵MOCVD技術領域，金屬有機物是典型的三甲基鎵(TM Ga)三甲基銦(TMIn)和三甲基鋁(TMAl)，攜帶氣體是氮氣或氫氣，對於生長InGan來說，氮氣是首要選擇的攜帶氣體，因為氫氣減少銦的摻入。(圖二)

《圖二　MOCVD的內部組織》

光蝕刻方法

《圖三　電極均在頂面的異質活性層元件》

如(圖三)所示，這是一種兩個電極都在頂面的異質活性層元件，它會將兩電極做在上面主要是基層(Substrate)材質Sapphire是絕緣的，因此比傳統的單電極在頂的異質活性層元件的製作流程更為困難，一般的製作流程是在Gan上蒸一層NiAu，應用一般的光蝕刻方法，將金屬層刻成單個元件。

NiAu層材質

NiAu層的厚度很薄，這層金屬層必需有三種材質堆疊起來：第一，金屬層必需摻入Mg的Gan層而形成良好的阻抗接觸；其次是這金屬層必須很薄，以便使發光處是透明或半透明狀；第三，金屬層還必須有足夠的厚度，以便使電能得以擴展，並且使電流能均勻注入有台階的活性層內，這些要求都需要在金屬層的厚度上形成配對條件，最近國外的報導還有使用比NiAu更透明的NiOx層或PtRu層，以獲得更透明的金屬層。

高亮度LED電流驅動

LED發光二極體的半導體材質當電流導通時，活性層溫度會上升到攝氏150度左右，而且LED半導體還有一特性是隨著溫度上升，亮度反而下降，所以為了得到高亮度，也可以使用大電流驅動，但是大電流驅動的情況下，晶粒溫度上升則是不能避免的，因此將這些影響亮度的高熱導出將是一個值得探討的課題。

《圖四　驅動電流與LED亮度關係》

低溫高亮度的LED

Lumileds研發了一種高散熱性元件(圖四)，將晶粒Bonding在具有高導熱效果的銅質基材上，此基材直接座落在散熱片上，當大電流驅動LED使發亮時，所產生的熱就可經由散熱片導出，晶粒將維持某一較低溫度，使得LED的亮度一直維持在高亮度情況下，而不會因溫度的上升使亮度減少。

高功率大晶粒的LED目前以Lumileds的產品為最具代表性，最大驅動電流可達1A，一般使用驅動電流在400MA~500MA，輸出光量可達181m/w，最大可達30 1m/w，晶粒製作尺寸在1mm×1mm。

應用效益

這種做法的好處是可以得到較高的亮度，而且體積可縮減到最小，光點集中，有利於光學設計，一般為了得到較高的光源，有時會使用LED矩陣，但因用LED矩陣會使面積變大，佔據較大空間，因而喪失了發光二極體體積小的特點，而且使用LED矩陣將會用到一些驅動電路，使得零配件增多，成本提高。但大晶粒使用大電流將使晶粒溫度大幅升高，因此在使用設計上對基材的散熱考慮變得十分重要。

TOYODA GOSEI在去年日本電子展曾展出只用19顆大晶粒所做出的交通號誌燈，Agilent也有用大晶粒發光二極體做出的交通號誌燈，比起傳統的交通號誌燈使用200個~300個5mmLED組裝，在材料使用及控制電路上節省了相當多的材料，伴隨而來的是組裝的人工成本也大幅降低，因此大晶粒發光二極體在高亮度使用上具有一定的空間。

TIP LED提高發光效率

傳統發光二極體的晶粒結構使得發光效率只有15%，所以如何提高發光效率也是中游廠商所要考慮的，HP首先將四元材質晶粒作成TIP LED，將內部光源反射出來，其發光效率竟可提高55%，最近美國CREE公司也有將晶粒作成類似的形狀。

這種形狀上的改變也將原本高亮度的GaN LED在提高了32﹪的亮度，因這形狀上的設計有PATENT的問題，因此在國內研究機構及製造廠商對這方面的研發還比較缺乏。

發光二極體的發展

傳統的白熾燈在應用上無法克服耗電量大、壽命短的缺點，在顯示資訊上的應用，如霓虹燈、平面招牌看板等，雖然有色彩鮮艷的效果，但只能單調顯示及簡單圖文變化，處於現今21世紀要傳遞的訊息漸漸複雜化、靈活化，一般的看板、霓虹燈已不敷需求，因此對於新材料的開發日益變成為人類的迫切性，因而發光二極體就變成近代新寵兒。

應用優勢

近幾年隨著微電子技術、自動化技術及計算機技術的突飛猛進，使LED顯示器的應用得到長足的發展，1993年後超高亮藍光、紅光、綠光LED的出現，使LED得以實現全彩顯示器，並且將LED顯示從室內擴展到室外，特別在體育場、廣告的顯示多元化，更得到人們的喜愛。

LED受空間限制小，具有全彩效果、視角大的優成，而且堅固耐用、壽命長、穩定性高、耗電量小、重量輕，可顯示大量資訊。所以LED顯示器是在應用上的最佳選擇，在將來也勢必為社會經濟發展中扮演越來越重要的角色。

另一個LED應用的重要性是用在照明上，近2~3年來借著高亮度、高效率藍光LED的開發量產及YAG燭光粉技術應用造就了白光LED的出現，因而讓LED的應用層面更往前推進一步，白光LED比傳統白熾燈發光效率高一倍且壽命更長達10倍。

環保概念具足

在地球資源有限及環保觀念下，更使得人類對LED更加重視，據統計，台灣假如有25%白熾燈和100%日光燈被白光LED取代，將可省下一座核能電廠的發電量，這在一切資源靠國外進口的台灣，將是一個福音，相對的就可減少輻射源的產生及火力發電廠原油使用量，對溫室效應的防止、地球綠化的環境有極大的貢獻。

結語

LED用於照明除了發光效率高、壽命長的優點，還有低耗電量(約為白熾燈泡的八分之一，日光燈的二分之一)、低發熱量、光色純、高防震性、易搬運、不易碎、安全無污染、小型化、可做成各式形狀，目前應用面極廣，例如：室內特殊照明、手電筒、閃光燈、裝飾燈、液晶顯示器及攜帶式電子產品(PDA、行動電話)等的背光，汽車或船笑的室內閱讀照明、車燈、沈車駕駛面板照明彩色化，由於白光LED在2010年發光效率將可達到120lm/w，在成本不斷下降及大量生產下，長期而言，在未來將可取代目前的白熾燈泡及日光燈。

總而言之，高亮度LED的時代已來臨，尤其是近來GaN發光二極體的製作流程已十分成熟，這主要還是取決於MOCVD生長磊晶的製程突破以及MOCVD材料的處理，業界經過許多的挑戰和克服困難，才可以成功地製作高功率、高亮度的藍色、綠色等短波長的LED發光二極體。在未來，對氮化物元件的探索，還有許多地方需要改進，其中要有更好的光補出，較低的正向電壓以及較高的抗靜電效果。(本文作者為今台電子研發部協理)