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改變技術方式使 LED 增加效率

改變技術方式使 LED 增加效率. 碩研電子一甲 M9730102 李仁凱. 大綱. 前言 簡介 能帶圖 發光波長 轉換效率 結構 封裝 白光 LED 結論 參考資料. 前言. 發光二極體 (Light Emitting Diode ，簡寫為 LED) 是一種可將電能轉變為光能的半導體發光器件，屬於固態光源。 LED 初期問世，當時的 LED 以紅色為主，發光效率很低，光通量很小，只能作指示燈和儀錶顯示器使用。

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改變技術方式使 LED 增加效率

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  1. 改變技術方式使LED增加效率 碩研電子一甲 M9730102 李仁凱

  2. 大綱 • 前言 • 簡介 • 能帶圖 • 發光波長 • 轉換效率 • 結構 • 封裝 • 白光LED • 結論 • 參考資料

  3. 前言 • 發光二極體 (Light Emitting Diode，簡寫為LED)是一種可將電能轉變為光能的半導體發光器件，屬於固態光源。 • LED初期問世，當時的LED以紅色為主，發光效率很低，光通量很小，只能作指示燈和儀錶顯示器使用。 • 隨著材料、結構和封裝技術的不斷進步，發光效率大幅度提高，尤其是近年來高光效、高亮度的白光LED的開發成功，使得LED在照明領域的應用成為可能。現在人們普遍認為 LED將可望發展成第四代光源。

  4. LED簡介 • 發光二極體是一種特殊的二極體。和普通的二極體一樣，發光二極體由P型及N型半導體晶片組成。 • 它所發出的光的波長，及其顏色，是由組成pn接面的半導體材料的能隙寬度所決定。

  5. 優點 • 發光效率高 • 使用壽命長 • 不易破損 • 可調整光之強弱 • 耗電量少 • 環保無汞 • 低電壓.安全性高 • 體積小 .可塑性強,可施工在任何造型上 • 光源具方向性 • 色域豐富(波長可控制)

  6. 缺點 • 散熱問題 ,不利於使用在高溫環境中 • 需再設計控制電路 • 目前成本較高(專利保護)

  7. 直接能隙 使用直接能隙，如採用間接能隙會消耗到不必要的能量(X軸) 、造成發光效率變差或改變波長。 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

  8. p n LED動作原理 • 零偏壓下 p n

  9. p n • 加上順向偏壓 +V p n light

  10. LED I-V characteristic

  11. GaP 發光波長

  12. 能隙決定發光波長 • 由材料的能隙可決定發光波長 λ(nm) = 1240 λ: 發射光的波長 Eg 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

  13. 光電轉換效率 • 內部量子效率(Internal Quantum Efficiency) • 光取出率(Light Extraction Efficiency) • 外部量子效率(External Quantum Efficiency) 發展高亮度LED相關技術就必須提高IQE跟LEE的 數值。

  14. LED結構

  15. N-GaN Sapphire 應力的產生 材料之間因為晶格常數不同、所以在磊晶成長時會因晶格 的不匹配、造成dislocation。 • 造成內部量子效率降低。 • 增加漏電路徑。

  16. ITO n+ InGaN/GaN SPS p-GaN n-electrode InGaN/GaN MQW n-GaN LT-GaN buffer layer Sapphire substrate LED結構(以GaN為例) p-electrode

  17. 提升效率的方法 • 使用銦錫氧化物(Indium Tin Oxide; ITO)當電流傳輸層 • 採用覆晶結構(Flip-chip) • 將光輸出表面粗操化 • 使用垂直電極(Vertical Electrode) • 使用22°底切側壁 • 使用圖形化的藍寶石基板 • 使用電流阻擋層(Current Block Layer; CBL) • 使用氧化鎳/銦錫氧化物歐姆接觸 • 在MQW與p-GaN層之間多做一層p-AlGaN

  18. 結構中每一層的作用 • ITO：使電流均勻分布。 • n+-InGaN/GaN SPS：提供ITO與p-GaN之間形成良好 的毆姆接觸。 • p-GaN：提供電洞。 • InGaN/GaN MQW：使電子及電洞更容易侷限在一起 因而增加發光強度。 • n-GaN：提供電子。 • LT-GaN：降低Sapphire與n-GaN之間因晶格差異所產 生的應力。

  19. MQW的作用 (b)加順向偏壓下的MQW (a)零偏壓下的MQW

  20. 使用銦錫氧化物(ITO) • ITO特性 ： 1.硬度高 2.有很高的電子傳導率 3.光學吸收係數低

  21. 基板種類

  22. 電流路徑 一般LED 的電流方向為path A，如此將使大部分的電流皆注入P 型電極下方的區域。

  23. 改善方式 用來阻擋path A 的路徑，因此LED 的電流路徑將往path B 來流動，則電流將能平均分佈於MQW 中，這樣將使元件的光亮度提升， 使用電流阻擋層 ( Current Block Layer ； CBL )

  24. p-electrode ITO p-GaN n-electrode InGaN/GaN MQW n-GaN buffer layer Sapphire substrate MQW (a)零偏壓下的MQW (b)加順向偏壓下的MQW

  25. ITO p-GaN InGaN/GaN MQW n-GaN buffer layer Sapphire substrate 為何選用ITO • 材料中有最佳的導電性(電阻比低) • 在可見光波段有良好的透光度 • 良好的耐候性，受環境影響小 • 大面積鍍膜製程容易(成熟) • 蝕刻製程容易(成熟) p-electrode n-electrode

  26. ITO(Indium Tin Oxide)的用途 主要用途為使電流均勻分布(電流散佈)。 ITO特性 ： 1.硬度高 2.有很高的電子傳導率 3.光學吸收係數低

  27. p-electrode ITO n+ InGaN/GaN SPS p-GaN p-AlGaN n-electrode InGaN/GaN MQW n-GaN LT-GaN buffer layer Sapphire substrate 在MQW與p-GaN層之間多做一層p-AlGaN

  28. 這一層的p-AlGaN為電子阻擋層，將未掉入的MQW的電子彈回井內，以增加光的效率。這一層的p-AlGaN為電子阻擋層，將未掉入的MQW的電子彈回井內，以增加光的效率。 p-AlGaN

  29. I-V(電壓電流關係圖) 約3.25v

  30. L-I(電流與發光強度相對關係) 約344(mcd) 電 流 加 至160mA時 達 到 飽 和 。 若 注 入 電 流 持 續 增 加 ,則 多 餘 能 量 轉 成 非 輻 射 復 合 ; 相 對 發 光 強 度 降 低 。

  31. EL強度圖 (460,2806) (450,1403) (470,1403) FWHM = ( 450 + 470 ) => 20(nm) 半高寬值越小 , 表示此 LED chip 結晶品質越好,出光純度越佳

  32. 藍移(blue-shift)現象圖 紅移(red-shift)現象圖

  33. 電流散佈

  34. 粗糙化後 LED表面粗糙 粗糙化前 粗糙化後克服全反射來增加光取出率 未粗糙化前造成全反射

  35. Die Terminal pins 封裝

  36. 反射杯 LED封裝中需考慮光線的折射與穿透

  37. 環氧樹脂 • 缺點 -耐熱性差 -易老化 -易受短波長(UV)光源影響 -散熱性不佳

  38. 改善方式 • 矽膠(silicone) -極優的高低溫穩定性。(-65℃~+232℃) -耐候性極佳。 -極優的黏著性。 -極佳的吸震及緩沖性。 -極優的介電特性。 -化學穩定性。

  39. 白光LED 製作白光LED的三種方式： • 利用紅、綠、藍三種發光二極體調整其各別亮度來達到白光，亮度比為3：6：1。利用紅、綠或藍黃兩顆LED 調整其各別亮度來發出白光。但價格較貴。 • 利用藍光LED 去激發黃色的螢光粉。 • 利用紫外光的GaN 的LED 去激發紅、綠、藍三色螢光粉來產生白光。

  40. 結論 • 就市場的變化而言，以高輝度為主的LED，應用範圍正在擴大。主要應用在大型看板、交通號誌、背光源、汽車第三煞車燈。在車用的方面，不僅是白光LED，包括紅、黃光等等的可視光LED，都已經開始被應用在汽車中的儀表板背光和方向燈、尾燈，而車內外裝飾部分的應用也都在急速的擴大中，從一些研究報告中可以發現，一部汽車對於LED的使用數量一直在增加，並且有很好的發展潛力。加上近期全彩手機風行，使白光背光源炙手可熱，未來技術若有進展，將逐步取代一般照明市場擁有龐大的商機。

  41. 參考資料 • http://www.omdl.tw • Gwo-Jiun Sheu,Farn-Shiun Hwu, Jyh-Chen Chen, Jinn-Kong Sheu, andWei-Chi Lai” Effect of the Electrode Pattern on Current Spreading and Driving Voltage in a GaN/Sapphire LED Chip” Journal of The Electrochemical Society, 155 10 H836-H840 2008 • http://www.led-shop.com.tw/page38.htm , LED原理 • http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=A1E、高亮度LED技術與應用趨勢

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