超高輝度4元紅光LED特性

發展歷程

傳統紅光發光二極管用半導體晶圓，除了AlGaAs磊晶硅晶圓 (Epitaxial wafer) 之外，AlGaInP磊晶硅晶圓已經商品化。

若在AlGaInP磊晶硅晶圓表面，制作電極再切割成晶粒狀(Die)，就可以制成發光二極管芯片，不過傳統結構發光二極管受到底部基板的影響，光吸收損失非常大，一般認為12 lm/W得發光效率是紅光發光二極管的最大極限。

有鑒于此研究人員在發光二極管組件內部設置金屬反射膜(MR: Metal Reflector)，開發全新結構的紅光發光二極管，達成發光效率48 lm/W，比傳統結構提高4倍的高效率化宿愿。

發光二極管(LED)可以將電氣轉換成直接光，因此發光二極管被歸類成半導體固態組件。

發光二極管充分發揮不需使用彩色濾光膜片，可以直接取出特定顏色的光線與低電壓驅動的優點，目前已經廣泛被當作各種電子機器的顯示用光源，應用在各式各樣的領域。

最近幾年發光二極管的發光效率提升，加上藍光與綠光發光二極管的實用化，如圖1所示，發光二極管已經成為交通號志燈、汽車尾部組合燈(Rear combination lamp)、液晶顯示器用背光照明模塊，各種顯示與照明的主要光源，持續拓展應用范圍。

接著本文要介紹可以減低發光二極管基板的光損失，設有金屬反射膜層、高輝度、發光效率是傳統結構發光二極管的4倍、48 lm/W的AlGaInP 4元紅光發光二極管的發光效率提升手法，以及金屬反射膜發光二極管(MR-LED)的電氣光學等各種特性。

金屬反射膜LED的發光效率提升手法

如圖2(a)所示傳統發光二極管光源，利用注入半導體固態組件發光材料(發光層)的電子與正孔再結合獲得的能量產生光線，該電氣光線轉換效率，以低缺陷AlGaInP結晶而言，大約可以達成70%以上的效率，材料上的特性提升可算是相當充分。

如圖2(a)所示，芯片產生的光線會在半導體內部傳遞，接著透過發光二極管組件表面取至組件外部領域，該取光效率單純的紅光發光二極管結構，大約只有10%左右，為有效提高紅光發光二極管的發光效率，必需透過發光二極管的結構設計與制程改善，提升表面穿透率與接口反射率。

紅光發光二極管是在GaAs單結晶基板上，使用格子整合3元混晶AlGaAs或是AlGaInP4元混晶發光層，將GaAs單結晶基板當作發光組件，底部支撐基板使用的發光二極管。由于GaAs具備吸收紅光物性，因此又稱作受質基板型(AS Type: Absorbing Substrate Type)。

如圖3(a)所示當初開發受質基板 (AS Type) 時，在GaAs基板上方制作發光層，由于該結構的組件表面，反射的光線與朝基板側的光線全部被基板吸收，因此只能達成8 lm/W低電氣光線轉換效率。

雖然受質基板的開發，主要目的是提升發光效率，如圖3(b)所示，受質基板型基本上屬于半導體多層反射膜（DBR: Distributed Bragg Reflector）插入型，該結構利用半導體多層反射膜，使朝基板側的光線反射，達成12 lm/W的電氣光線轉換效率。

然而半導體多層反射膜 (DBR)，具有斜方向光線不易反射的結構性缺陷，因此朝各方向放射的發光二極管光線，不會朝基板側傳遞，結構上受到很大的限制。

為提高紅光發光二極管的發光效率，研究人員深入檢討可以使斜向入射至基板的光線完全反射的結構，開發圖3(c)所示，使用金屬薄膜的反射結構除了垂直方向之外，對斜向入射的光線，同樣具備高反射特性的金屬反射膜發光二極管 (MR-LED)。

金屬反射膜發光二極管 (MR-LED)，不易同時具備發光層、金屬反射膜反射率與低電氣阻抗特性，而且無法在金屬反射膜上制作低缺陷的發光層，因此研究人員針對同時具備反射率與低電氣阻抗問題，透過組件結構的設計進行對策，發光層的缺陷問題則透過基板貼換技術，使用與GaAs單結晶基板上結晶同等級的低缺陷AlGaInP發光層。

基板貼換技術如如圖4所示，(1)首先準備低缺陷AlGaInP磊晶硅晶圓，(2)接著將發光層黏貼至底部支撐基板，(3)最后從已經貼合的晶圓去除GaAs基板，就可以在底部支撐基板上面形成具備發光層的結構。

初期特性

有關金屬反射膜型發光二極管(MR Type LED)與受質基板型發光二極管(AS Type LED)的特性，兩芯片的外形都是300×300μm角柱形。

圖5是這兩種發光二極管實際發光的照片，由照片可知，金屬反射膜型發光二極管的發光比受質基板型發光二極管亮。

如表1的金屬反射膜型發光二極管(MR Type LED)與受質基板型發光二極管(AS Type LED)初期特性比較一覽所示，順向電流20mA通電時的光束為1.92 lm，可以實現48 lm/W的發光效率，金屬反射膜型發光二極管(MR Type)比受質基板型發光二極管(AS Type)，發光效率提高4倍以上。

圖6是上述兩種紅光LED的順向電流－光束特性，由圖可知，光線強度亦即光束對電流呈直線增加，即使受到發熱的影響，光輸出并未降低。

圖7是上述兩種紅光LED的順向電流－順向電壓特性，由圖可知，雖然金屬反射膜型發光二極管(MR Type)的順向電壓比受質基板型發光二極管 (AS Type)高，不過卻可以達成實用上要求的2.2V以下順向電壓(IF=20mA)，證實即使是金屬反射膜結構，串聯阻抗同樣可以被充分削減。

晶圓面內的分布

發光二極管當作顯示用途并排使用的場合，如果光強度有分布不均，會引發輝度不均。

此外定電壓驅動時要求相同的順向電壓，因此研究人員調查3英冀鶚舴瓷淠ば頭⒐舛極管 (MR Type)晶圓的光束，與順向電壓的面內分布特性。

光束的面內分布特性如圖8所示，面內平均為1.86 lm(σ=0.05 lm)，面內分布在±10%范圍內，證實新型紅光發光二極管，可以實現高輸出、高均勻性的要求。

順向電壓的分布圖9所示，面內平均為1.98 lm(σ=0.02V)，面內分布在±5%范圍內，證實新型紅光發光二極管，同樣可以實現低電壓、高均勻性的要求。

根據上述面內分布特性，與受質基板型發光二極管 (AS Type) 的晶圓分布幾乎完全相同，證實分布特性不會受到金屬反射膜結構的制程影響大幅改變。

續通電特性

金屬反射膜型發光二極管 (MR Type) 若與受質基板型發光二極管 (AS Type) 比較，制作基板貼換等金屬反射膜結構時，容易受到熱與壓力造成的負載，對組件的可靠性可能產生不良影響，必需進行可靠性試驗才能夠確認。

圖10是以IF=50mA，進行一周室溫連續通電特性變化試驗的光束、順向電壓、逆向電壓測試結果。

根據測試結果可知上述2種新型紅光發光二極管特性完全沒有改變，證實即使制作金屬反射膜型結構，同樣可以獲得充分的可靠性。

結語

以上介紹使用金屬反射膜(MR)結構，新型高發光效率AlGaInP 4元紅光發光二極管。

為提高取光效率，研究人員開發金屬反射膜型發光二極管(MR-LED)的結構設計與制作技術，達成48 lm/W的超高發光效率。

超高發光效率的發光二極管，可以應用在戶外混色很鮮明的辨識用途，例如戶外大型顯示器要求鮮艷顯示、或是汽車尾組合燈等等。

此外發光效率不足，遲遲無法實用化的大型液晶顯示器用LED背光照明模塊，也是新型紅光發光二極管，可以充分發揮特性的領域。