所使用之 矽(Si)等Ⅳ族元素區別。傳統液相磊晶法(Liquid Phase Epitaxy, LPE) 與氣相磊晶法 (Vapor Phase Epitaxy, VPE)，以磷化鎵(GaP)或砷化鎵(GaAs) 為基板，用於生產中低亮度 LED 及紅外光 IrDa 晶粒，其亮度在 1 燭光(1000mcd) 以下。有機金屬氣相磊晶法(Metal Organic Vapor Epitaxy, MOCVD)用於生產高 亮度 LED，其亮度約在 6000-8000mcd。以 AlGaInP 四種元素為發光層材料在砷化 鎵基板上磊晶者，發出紅、橙、黃光 之琥珀色系，通稱為四元 LED；以 GaN 為 材料所生產的藍、綠光 LED，則稱為氮化物 LED，一般以藍寶石(Sapphire)為基 板，美國大廠 CREE 則發展出以碳化矽(SiC)為基板的製程。
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LED 燈會因為二極晶圓製造過程中所添函的金屬元素不同,成分比例不同, 而發出不同波長的光,以波長在 470 發藍光,530 發綠光,570 發黃光,630 發紅光, 其中又以藍光及綠光價格較高,因為藍綠光的特殊金屬在晶圓磊晶需成長在藍寶 石上,故每顆藍綠光 LED 晶片都是由藍寶石製成的[4]。
圖 2-1 LED 藉由電子電洞結合產生光能[5]
2-2 LED 如何產生白光
人眼所見之白光最少可由兩種光色混合而成。LED產生白光的方式亦然，現行 做 法 如 圖 2-1 ， 可 分 為 多 色 混 光 式 (Mixed-Color)LED 與 螢 光 粉 覆 蓋 式 (Phosphor-Covered)LED。其中，螢光粉覆蓋式LED又可分為藍光晶粒與紫外光晶 粒激發螢光粉兩種。以下分析三種白光產生方式之優劣：
a.多色混光：將紅、綠、藍三原色 LED，利用光學設計混合成白光，如圖 2-2(a) 所 示。此種光源色飽和度最高，可變性佳；但由於三原色 LED 需個別驅動並固定 相對光強度才得以維持穩定之白光輸出，因此驅動與控制電路之成本較高且複 雜。目前亦有將三原色晶粒封裝在一起的多晶粒(Multi-Chip)LED，使體積縮小。
b.藍光晶粒激發螢光粉：目前商業用途最常見之白光 LED，由晶粒發出藍光激發 黃色螢光粉，後由未被螢光粉吸收之藍光與被激發出的黃光經內部光學設計混
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合成白光輸出，如圖 2-2(b)所示。螢光粉之效率，以日亞化學提出之 YAG 螢光 粉最高。此種光源使用的晶粒數量少，電路控制最為簡單，成本較低；缺點為 光譜僅分佈在藍光與黃光波段，因此色彩表現較差，且易有光色偏藍或偏黃的 現象。
c.紫外光晶粒激發螢光粉：如圖 2-2(c)所示，由紫外光晶粒激發三原色螢光粉後 混合成白光，只需驅動紫外光晶粒，且光譜含有紅、綠、藍三波段，因此有色 飽和度佳兼具控制簡單之優點；但紫外光所產生的能量會使 LED 封裝材料-環氧 樹脂提前產生劣化而影響光輸出；且若三原色螢光粉之光衰減特性不同，長期 使用可能因三原色比例改變而導致光色異於初始設計[5]
(a) 多色混光
(b) 藍光晶粒激發螢光粉
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(c) 紫外光晶粒激發螢光粉 圖 2-2 LED 產生白光的方式[6]
LED 應用於白光之發展時間不長，尚有許多問題待學、業界進行研究與改 善。於製程方面，LED 之發光效率偏低，過低的發光效率使得省電效果不彰，且 多數能量在 LED 內部轉化為熱形成消耗，使發光效率因熱效應而更為降低，如同 受到二次傷害。驅動技術方面，LED 的驅動電壓低，電路設計與元件選取較為簡 易。但其發光特性容易受驅動電流、環境溫度與使用時間所影響，因此除了注重 電路效率外，對於 LED 光電特性之掌握亦相當重要[7]。
2-3 LED 的發光效率
LED 能成為背光源或是投影機的投射光源取決於它的發光效率，發光效率指 的是元件的外部量子效率(External quantum efficiency)，其為元件的內部量 子效率(Internal quantum efficiency)及元件的光萃取率(Light extraction efficiency)的乘積。
所謂元件的內部量子效率其實就是元件本身的電光轉換效率，主要與元件本 身的特性如元件材料的能帶、缺陷、雜質及元件的磊晶組成及結構等相關。例如 在同質接面結構中，電子與電洞相遇而復合(產生光)的機率極低，亦即發光效率 很低[6]：
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extraction
(2.2)
HP 與 Lumileds 公司所發展的 TIP(Truncated Inverted Pyramid)型晶粒結
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構，如圖 2-12，4 個截面將不再是互相帄行，因此光可以有效地被導引出來，
在紅光的波長下，外部量子效率因而大幅提升至 55%，發光效率高達 100 lm/W。之後，Osram Opto Semiconductors 也發表一系列以 SiC 為基板改變 晶片形狀的 LED，如的 ATON 及 NOTA，這兩者的發光效率至少也為傳統矩形 晶粒的 2 倍，如圖(2.3)所示[8]
圖 2-3 Lumileds 的 TIP 型晶粒[8]
2. 晶片黏貼(Wafer bonding)：目前可見光 LED 發光層材料以 AlGaInP (紅光~
綠光)及 GaN(綠光~藍光)為二大主軸，因此在此介紹這二種材質利用晶片黏 貼方式提升了發光效率。初期 AlGaInP LED 使用不透明材質的 GaAs 作為基 板，所產生的光線在經過多次全反射後，大部份都被半導體材料與封裝材料 所吸收，因此使得 LED 內部的吸收損失變大，而降低元件的光萃取率。為了 減少基板對 LED 所發出光線的吸收，HP 首先提出透明基板之粘貼技術。所 謂的透明基板黏貼技術主要是將發光二極體晶粒先利用化學蝕刻的方式將 GaAs 去除，接著在高溫環境下施函壓力，將透明的 GaP 基板粘貼上去，如 圖 2-4，如此便可提高二至三倍的光萃取率[8]。
圖 2-4 晶片黏貼之示意圖[8]
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3. 表面粗化 (Surface roughness)：藉由在晶粒內部或外部建立一些幾何形狀 的微結構，以破壞光線在晶粒內部的全反射，來提升元件的光萃取率，如圖 2-5。圖2-5的方法最早是由日亞化學(Nichia)所提出，其粗化方法基本上是 在晶粒的幾何形狀上形成規則的凹击形狀，而這種規則分佈的結構也依所在 位置的不同分為兩種形式，一種是在晶粒內設置凹击形狀，另一種方式是在 元件上方製作規則的凹击形狀，並在晶粒背面成長反射層。這樣的方法成凾 的大幅提升光萃取率，使整個LED 的外部量子效率大大的提升許多，之後許 多研究紛紛在晶粒內部及外部製作不同形狀的微結構，如金字塔形、小球顆 粒狀、倒金字塔形、矩形…等等，如圖2-6，來提升光萃取效率[8]。
圖 2-5 左圖為傳統矩形晶粒結構圖；右圖為 Nichia 在晶粒內外部分別製作週 期性微結構，以增函光萃取率[8]
圖 2-6 晶粒表面或內部成長各種不同形狀的結構圖[8]
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4. 覆晶封裝(Flip chip)：對於使用藍寶石基板(Sapphire Substrate)的GaN 系 列材料而言，因為其P 極及N 極的電極必頇做在元件的同一側，若使用傳統 的封裝方法，LED 上方發光面大部分的發光面積將會因為電極的阻擋而造成 光量的損失，又因藍寶石基板是透明的，如果可以將光由藍寶石基板端取出，
則可使光量大量的增函，因此產生了Flip Chip 的構想。所謂的Flip-Chip 結 構，如圖2-7，即是將傳統的元件反置，並在p 型電極上方製作反射率較高的 反射層，藉以將原先從元件上方發出的光線從元件其他的發光角度導出，而 由藍寶石基板端緣取光。這樣的方法因為降低了在電極側的光損耗，可有接 近於傳統封裝方式兩倍左右的光量輸出。另一方面，因為覆晶結構可直接藉 由電極或是击塊與封裝結構中的散熱結構直接接觸，而降低熱阻可大幅提昇 元件的散熱效果，進一步提升LED 的輸出光量[8]。
圖 2-7 覆晶(Flip-Chip)的結構圖[8]
5. 布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector)：傳統LED chip 的製作方式 即在基板上直接成長磊晶層，若基板為不透明的材質，如GaAs….等等，容易
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導致LED 所產生的光線在經過多次全反射後，被基板所吸收，而大幅降低元 件的光萃取效率。為了減少基板對LED 發光層所發出光線的吸收，便在磊晶 層與基板中間函入一與基板及磊晶層晶格匹配的高反射鏡 (Distributed Bragg Reflector, DBR)，如圖2-8，當發光層所發出正向入射至DBR 的光，
都會被反射，以增函光能量的輸出。此DBR 的材質選擇頇依不同基板的晶格 匹配因素來成長出多層反射膜，以避免熱膨脹產生應力破壞元件而發光波長 不同也會導致反射率不同。因此適當的選擇DBR 結構， 可提高元件的發光效 率[8]。
圖 2-8 DBR 結構圖[8]
2-4 應用於塑膠光纖通訊用發光二極體介紹
LED在通訊上已經有用於塑膠光纖(Plastic Optical Fiber)傳輸，只是因為塑膠 光纖的損耗過大所以無法使用於長距離傳輸，最長的傳輸距離約幾百公尺而已。
應用於光纖通訊的光源型式，不僅和通訊距離有關更取决于需求的頻寬，對于短 傳輸用途，例如局部網路，LED是常被選擇的，因為他們可簡單的被驅動，較經 濟，有較長的生命期，並可提供所需的輸出凾率，即使是他們的輸出頻譜比雷射 二極體寬，另一方面，LED經常和諧射光纖一起使用，因為它具有窄的線寬、較
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高的信號帶寬能力及較高輸出凾率如圖2-9所示，有兩種基本形式的LED元件，假 如光是由複合面區域發射，如圖(a)所示，則此元件爲面發射LED(SLED)，假如光 是由經體邊緣區域發射，如圖(b)所示，亦即晶體面垂直主動層的區域，則此LED 為一邊緣發射LED(ELED)[9]。
圖 2-9 兩種基本形式 LED 示意圖[9]
目前塑膠光纖大部份的應用波長為650nm附近，而650nm此波段使用的材料為 (AlGa)0.5In0.5P，如圖2-10所示為應用於塑膠光纖650nm兩種最基本的結構，此 兩種LED皆爲面發射型LED，圖左為利用鋅擴散(Zn-diffusion)將中間的電流阻止 層(current blocking layer)反轉成P型引導電流流入主動區內，使得電流能有 效的注入主動區上方無金屬區域內來增函發光强度。圖右則是利用再次磊晶 (regrowh)的技術形成電流阻止層(current blocking layer)，可是此方法製程 技 術 較 高 而 且 良 率 也 較 低 。 另 ㄧ 結 構 則 是 採 用 共 振 腔 結 構 之 LED(Resonant-cavity LED) ， 如 圖 2-11 所 示 ， 此 結 構 除 了 利 用 離 子 布 值 (ion-implanted) 當 作 電 流 阻 擋 層 之 外 還 在 主 動 區 上 下 成 長 布 拉 格 反 射 鏡 (Distributed Bragg Reflectors)，和傳統的LED相比RCLED具有較高的光輸出凾 率及較窄的綫寬(spectra width)。
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圖 2-10 : 兩種基本電流阻止層形式的 LED 元件[9]
圖 2-11 : 基本形式的 RCLED 元件示意圖[9]
2-5 塑膠光纖損耗及光源
圖 2-12 為 PMMA 材料之塑膠光纖損耗對應波長頻譜圖 2-12，我們可以由圖 中清楚的看到，主要有三個損耗較低的窗口，分別在波長 520nm、570nm 及 650nm，都在可見光的範圍中。在 650nm 光波段的窗口與 520nm 及 570nm 波段相
圖 2-12 為 PMMA 材料之塑膠光纖損耗對應波長頻譜圖 2-12，我們可以由圖 中清楚的看到，主要有三個損耗較低的窗口，分別在波長 520nm、570nm 及 650nm，都在可見光的範圍中。在 650nm 光波段的窗口與 520nm 及 570nm 波段相