LED 新技術、發展 陳詠升

OUTLINE LED的基本介紹 21世紀最閃亮的光源及LED發光的秘密 驚人的節能減排效果 基本製程與產業價值鏈 發光效率與散熱的挑戰及商機 螢光粉:白光LED中的關鍵 參考資料

LED的基本介紹 LED最大的特點在於：使用壽命長 、反應速度很快、體積小、用電省、污染低、適合量產。

例：以台灣來說，全面淘汰白熾燈，導入LED照明，每年可省超過100億度電的用量及減少900萬噸二氧化碳排氣量，相當麥寮電廠一年的發電量，同時也省下新台幣267億元電費。

21世紀最閃亮的光源及LED發光的秘密

LED (Lighting Emitting Diode) 利用p型材質(電洞)及n型材質(電子)，通入順向電壓， 光 P型(電洞流)

可見光LED發展史

LED封裝技術演進史

因人的肉眼所能看到的光，其波長介於380nm至760nm之間，所以可分為可見光 與不可見光。 二元化合物，如GaP (除GaP系列之外) 三元化合物，如GaAsP 級AlGaAs等 3C家電、消費性電子 產品、資訊電子用品 等如計算機、手錶 一般傳統亮度 可見光 戶外全彩看板、交 號誌、被光源、車 用照明 四元化合物，如AlGalnP GalnN系LED 白光LED 高亮度 LED 分類 大尺寸背光源、 一般照明等 短波長紅外光 紅外線無線通訊，如自動門、自動沖水裝置等 不可見光 長波長紅外光 光通訊用光源

1240 Eg λ: 發射光的波長 Eg: 材料的能隙 以GaN為例，其Eg為3.4eV，則發射光的波長為: 由材料的能隙可決定發光波長 λ(nm) = 1240 Eg λ: 發射光的波長 Eg: 材料的能隙 以GaN為例，其Eg為3.4eV，則發射光的波長為: λ= 1240/3.4= 365 nm

可見光LED的顏色與材料種類 LPE=液相磊晶、VPE=氣相磊晶、MBE=分子束磊晶、MOVPE=有機金屬氣相磊晶、MOCVD=有機晶屬化學沉積法、SH=單異質結構、DH=雙異質結構、mcd=毫燭光

驚人的節能減排效果 LED與傳統燈泡、日光燈管特性比較

LED照明節能效益預測 應用領域 主要產品 節能效益 節能潛力 汽車 尾燈 70% 前方轉彎信號燈 68% 倒車燈 90% 頭燈(白光) 23% 巴士及大貨車 出入口標示燈 45% 交通號誌燈 紅黃綠三色 89% 行人燈 91% 航空 飛機閱讀燈 50% 機場燈 鐵道信號燈 55% LED替換霓虹燈 65% 戶外節慶照明 (替代白熾燈) 商用冷藏櫃顯示燈(替但螢光粉) 30%

基本製程與產業價值鏈 LED 上、中、下游分工生產流程

主要磊晶技術 液晶磊晶法 氣相磊晶法 分子束磊晶 有機金屬化學氣相磊晶法

液相磊晶法 是將磊晶層藉由過飽和的磊晶溶液成長在單晶的基板上。LPE主要用在發光二極體(LED)上。

氣相磊晶法 可分為CVD和PVD兩種技術： (1)化學氣相沉積法 (chemical vapor deposition,CVD) (2)物理氣相沉積法 (physical vapor deposition,PVD)

化學氣相沉積法 其程序是將反應源以氣體形式通入反應腔進行化學反應，而生成物藉由擴散作用沉積於基板上。大致應用在工作元件(如半導體)晶膜和氧化層之成長。

化學氣相沉積法

MBE分子束磊晶法 藉由溫度的控制來調節磊晶反應源的蒸氣壓，這些蒸發的氣體分子束會由噴口朝向基板的方向運動並沉積在晶片表面上，晶座下附有加熱器，提供熱能給吸附的分子或原子來進行分解和表面游移而形成結晶。

有機金屬化學氣相磊晶法 指的是以金屬有機原料的化學氣相沈積法沈積出半導體膜。當使用氣相磊晶系統配合以金屬有機原料以產生磊晶層時，稱為MOVPE (金屬有機氣相磊晶)。

磊晶生成法比較

發光效率與散熱的挑戰及商機 發光效率: 內部量子效率、取光效率 取光效率 若上表紅、藍、綠三個光源內部量子效率、取光效率都能提升 色光 內部量子效率 取光效率 紅光 100% 50%~60% 藍光 50%提升至100% 65%提升至85% 綠光 20%提升至40% 若上表紅、藍、綠三個光源內部量子效率、取光效率都能提升 ，白光LED發光效率可從100lm/w提升至150lm/w

LED散熱基版的主要類型 種類 相關特性 代表廠商 硬式PCB Citizen 、Lumileds 、 松下電工、佳總、競國 鋁鎂合金 雖已廣泛導入PC應用，但在LED應用上不成熟、良率低，且成本高 鴻準、華信精密 軟式PCB 以銅箔基板為主，重量輕、體積小，可全面性使用無鉛製程，並適用大尺寸，但是技術仍不成熟、高功耗且成本高 聚鼎、新揚科、Denka 陶瓷基版 熱傳導率佳，適用小尺寸、高溫環境及高功率LED產品，目前技術尚未成熟、成本高 Kyocera 、禾伸堂、同欣 高導熱係數鋁基版 技術較為成熟，以鋁基板為主，將PCB下方基材改為金屬，是用大尺寸、高功率LED產品，成本適中 聚鼎、聯茂、佳總、先豐、三洋電機、照敏、電氣化學 金屬機複合材料 熱傳導率高，適用高瓦數高密度的大尺寸LED ，技術仍不成熟、良率低，成本極高 工研院材化所、DS&ALLC

螢光粉:白光LED中的關鍵要角

白光LED的製造方式 發光方式 類型 代表(專利) 優點 缺點 藍光LED+YAG黃色螢光粉 二波長單晶型 日亞化學 以單一晶料發光，材料來源簡單，一致性高且成本低，電子回路設計簡單 螢光粉材料掌控在日亞化手中，且發光演色性較RGB三色LED為差 藍光LED+ZnSe基版 佳有電工 以單一晶料發光且不需使用螢光粉，成本低，電子迴路設計簡單，驅動電壓也低 發光效率較差，壽命短 藍綠光LED+琥珀色黃光(BCW藍光+琥珀色黃光) 二波長多晶型 Gentex 一致性高，可用於高電量產品(如汽車) 專利權在美商Gentex手中，且因電壓高，LED易受高溫影響到至光衰退加快 藍光/紫外光LED+RGB螢光材料 Cree/豐田合成 演色性佳，發光效率高 螢光粉材料不易尋，封裝材料易受紫外光照射出現老化，成本高，不易量產 RGB三色LED混光 無專利問題 演色性佳，顏色可隨意調整，發光效率高 同時使用3顆LED ，一致性低，電子回路設計成本高，近距離混色性不佳

參考文獻 LED投資新趨勢 楊淑慧 金微華 陳重亨 財信出版有限公司 2008年4月 http://www.ecse.rpi.edu/~schubert/Light-Emitting- Diodes-dot-org/chap04/chap04.htm http://doc.money.udn.com/udndoc/feather01/ipo/8925/4.htm 發光二極體之原理與製程，陳建隆，全華圖書股份有限公司