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因此，LED 發光構造是單單由半導體材料裏的電子移動而使它發光。在半導體 內正負極 2 個端子 P 型半導體與 N 型半導體接合形成 P-N 接面，再對其施以順 向電壓後，當電流通過 ( P 區的電洞往 N 區移動，同時 N 區的電子也向 P 區移 動)，電子與電洞在接面之活性層 (亦為發光層)可進行直接互相結合，在電子與電洞 結合的過程中，自由電子從 P 型層通過二極體落入空的電子空穴，也就從傳導帶跌 落到一個更低的軌函數，所以電子就是以光子形式釋放剩餘能量14。如 圖 5 所示，
自由電子在活性層產生光子，屬於冷光發光，所發出的熱非常少，不同於鎢絲燈泡 的熱發光原理，只要在 LED 元件兩端通入極小電流便可發光。
圖 5 LED 發光構造圖 圖片來源：本研究繪製
如圖 6 所示，以上 LED 的發光原理及過程發生在 P 層至 N 層的區域，在 LED 的產品結構中一般稱為 LED 磊晶(層)，此為 LED 製程中的上游第二階段產品，接 續在 LED 單晶基板製程之後。而後，LED 單晶基板與磊晶經由蝕刻切割等過程後 整體產出 LED 製程中的中游產品，稱為 LED 晶粒。
14 劉國雄、林樹均、李勝隆、鄭晃忠、葉均為，工程材料科學，ISBN 957-21-0830-1，第 44 頁，1996 年。
此接面為活性層，亦為發光層
P 型半導體 N 型半導體
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圖 6 LED 中游產品，晶粒構造圖 圖片來源：本研究繪製 LED 的發光顏色的發光顏色 的發光顏色的發光顏色
依 LED 使用的材料的不同及元件結構變化，其能階高低使光子能量產生不同波 長的光，人眼所能接受到各種顏色的光，如紅、橙、黃、綠、藍、紫等各顏色，以 及紅外、紫外等不可見光，如圖 7 橫座標所示，其波長介於 400-780nm，在此區間 之外則為不可見光，包括紅外光及紫外光(UV)。
圖 7 肉眼可見光波
P 層至 N 層為 LED 磊晶層
LED 單晶基板材料為本研究
專利分析之標的
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圖片來源：Johnson & Johnson Vision Care, Inc. 15
1962 年通用電氣公司（General Electric，GE）用磷砷化鎵(GaAsP)首次將紅光 LED 商品化16。最初的紅光 LED 的光通量為 0.1lm/W，約是普通燈光的 1/150，其
15圖片來源：Johnson & Johnson Vision Care, Inc.，http://www.ecp.acuvue.com/en_US/uv-damage-cnt1.jsp，
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16 1962年，通用電氣公司的尼克·何倫亞克 (Nick Holonyak Jr.) 開發出第一種實際應用的可見光發 光二極體。
17 1993年，當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的中村修二（Shuji Nakamura）發明了基 於寬禁帶半導體材料氮化鎵（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光 LED。
18坎德拉（cd）是發光強度的單位，用以表示可見光 LED 發光強度的指標。發光強度 I 可用光通量 Φ和立體角 Ω 表示。 I=dΦ/dΩ[cd]Φ=Km∫V（λ）Pλdλ[lm]其中，Km 為在波長 555nm 範圍內的最 大可見度（683nm），綠色對人眼是最亮的。 V（λ）是在波長為 λ 時的相對可見度[V(555nm)=1],Pλ 為光譜輻射通量。
19 In、Ga、N 混晶的氮化物半導體，其量子效率超過 20%。此外，還開發了外部量子效率超過 50%
的 AIInGaP 紅光 LED（630nm）和琥珀色光 LED（595nm）。銦氮化鎵（InGaN）的綠光、藍光 LED 的量子效率也接近上述值。
20黃凡，無線電技術月刊，第 468 期，2012/06，
http://www.electronictechnology.com/apm/mgad.php?sublnk=article&mcontentid=2881&contentid=MQ=
=，last visited on 2012/6/25。
21 1996年由 Nichia Corporation 開發出製作白光 LED 的方法，在藍光 LED (near-UV，波長 450 nm 至 470 nm)上覆蓋一層淡黃色螢光粉塗層，並從開始用在生產白光 LED 上。
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圖 8 白光 LED 示意圖 圖片來源：友達網站22
白光 LED 基本上有兩種方式。一種是多晶片型，一種是單晶片型，兩種方式（單 晶片型和多晶片型）都可得到色調效果好的白光。前者是將紅綠藍（R.G.B）三種 LED 封裝在一起，同時使其發光並調整其個別亮度來達到白光，一般來說，紅、綠、
藍的亮度比應為 3：6 ：1，或者只用紅、綠或藍、黃兩顆 LED 調整其個別亮度來 發出白光；後者是把藍光或者紫光、紫外光的 LED 作為光源，在配合使用螢光粉發 出白光23。
前者的方式，必須將各種 LED 的特性組合起來，在 LED 的驅動電壓或發光輸 出上有缺陷，而且在溫度特徴或器件壽命上也存在問題，另外最大的缺點就是造價 較高，不利於商品化發展；後者單晶片型的話，LED 只有 1 種物件即可，在驅動電 路的電路設計上比較容易。
白光 LED 單晶片型進一步分成兩類，一類是發光源使用藍光 LED，另一類是 使用近紫外和紫外光：
1.用藍色 LED 激勵發黃光的螢光體。這種白光構體就是將藍光 LED 與 YAG 螢
22友達網站，http://auo.com/?sn=59&lang=zh-TW，last visited on 2012/6/25。
23 LED Inside，高亮度白光 LED 基本結構，2007/10/17，
http://www.ledinside.com.tw/hw_led_basic_str_200710，last visited on 2012/6/25。
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光物質放在一起，用藍光激發螢光物質，這樣它發出的光譜就是白光。在這方面日 亞化學公司擁有世界性的專利。
2.用近紫外和紫外光 LED 激勵 R.G.B 螢光體。激勵螢光體的白色 LED 照明光 源因螢光體組拿來不同可發射白光以外的各種顏色的光，因而可廣泛應用於照明。
用 R.G.B 三基色 LED 開發了白色 LED，現實驗室水準的發光效率已超過 50lm/W，
近幾年內可望超過 100lm/W，而紅光部份最佳的發光效率已超過 100 lm/W。
現在，市場上的白光 LED 大多數是藍光 LED 配合 YAG 螢光粉。另外，還有 一種是藍光 LED 加上 RG 螢光粉的組合24。
圖 9 LED 光色及對應的磊晶化學組成之發展歷史 圖片來源：連展科技25
24 LED Inside，簡述 LED 發光原理，2008/02/20，http://www.ledinside.com.tw/led_light_200710，last visited on 2012/6/25。
25 簡文祥，LED 產業市場技術與產品，連展科技 創新事業處，2010/03。
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26 早期的 LED 結構以磷化砷鎵(GaAsl-xPx)的三元結構為主，並以控制砷與磷比例的方式，使 LED 發光波長涵蓋紅外光譜至可見綠光的範圍，惟波長最短的磷化鎵(AsP)亦只能達到綠光，欠缺藍光， sNBR=32，last visited on 2012/6/25。
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圖 10 全球 LED 應用趨勢（數量）
圖片來源：Display Search28
而自 2002 年起可攜式產品（如手機、PDA、數位相機等）大量使用做為產品 螢幕或按鍵光源，配合可攜式產品市場成長，使得可攜式產品在 2008 年成為 LED 最大應用市場，比重達 40％29。另外，2008 年起才有量產產品出現在液晶顯示器和 液晶電視面板的(大尺吋)背光源，也快速成為 LED 市場的最大應用來源，總體而言，
液晶顯示器背光源在 2012 年佔 LED 最大應用市場，比重達 31％。
28 Display Search，LED Market Continues to Grow Rapidly, Transitioning to Lighting Applications，
2011/08/24，
http://www.displaysearch.com/cps/rde/xchg/displaysearch/hs.xsl/110824_led_market_continues_to_grow_r apidly_transitioning_to_lighting_applications.asp，last visited on 2012/6/25。
29黃孟嬌，節能明星產業 5 大趨勢 LED 打開低碳經濟大門，工業技術與資訊月刊，225 期，工業技 術研究院 IEK，2010/07，http://www.itri.org.tw/chi/publication/publication-content.asp?ArticleNBR=2626，
last visited on 2012/6/25。
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圖 11 2008-2012 年全球 LED 應用結構對比 資料來源：Strategies Unlimited
近年來，隨著 LED 在照明、大中小尺寸面板背光源以及室內照明等新應用領域 逐漸擴展，高亮度 LED 過去數年一直處於高速增長階段，在 LED 中的比重將逐步 加大，已成為 LED 主流產品，然而在取代傳統照明方面，受限於 LED 價格和發光 效率，約至 2012 年後才開始有較大的替代效應出現。其中各類高亮度產品之近年 成長如下圖所示。
圖 12 2007 年至 2012 年全球 LED 應用出貨量
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資料來源：Strategies Unlimited30
現今 LED 應用主要可分為可見光與不可見光31，其中可見光 LED 產品包括紅、
黃及橘光等 LED 產品，應用面為手機背光源及按鍵、PDA 背光源、資訊與消費性 電子產品的指示燈、工業儀表設備、汽車用儀表指示燈與煞車燈、大型廣告看板、
交通號誌等，而不可見光 LED 包括 IrDA、VCSEL 及 LD 等，應用面以通訊為主，
主要分為二種，短波長紅外光應用在無線通訊用(如 IrDA 模組)、遙控器、感測器，
長波長紅外光則用在短距離中通訊用光源，如圖 13 所示。
圖 13 現今 LED 應用領域
資料來源：陳龍建，發光二極體之原理與製程(2006)32