發光二極體之發光效率

發光二極體將電能轉換成光能為可見光或是部分紅外光的光能 而輻射出來，輻射能量的轉換發生於兩個階段。首先，由於施加電能 使得半導體中的電子受激發呈現高能量狀態，而後電子釋放能量降為 低能量狀態時，以光子自發輻射的狀態釋放出能量，而這些光子能量 相當於半導體能隙 Eg 的大小。對於均勻 doping N 型與 P 型半導體的 物質，當這兩接面結合時會形成一個 p-n 接面，在 p-n 接面提供一個 順向偏壓時，電流載子的能量增加，在順向偏壓下少數載子注入接面 的兩側，且這些多餘的少數載子(excess minority carries)擴散至 接面與多數載子複合，這整個自發放射(spontaneous emission)的過

程。

在接面兩側多數的少數載子會與多數的載子複合輻射而產生頻 率為 v 的光子，其關係式如下所示：

hv=Eg

少部份的少數載子會以非輻射的方式複合，而這些載子的能量則 是以熱的形式消失在晶格中。輻射複合的比率正比於順向偏壓的注入 比例，儘管有部分的少數載子擴散至遠離接面的區域而發生複合，大 多數的複合作用還是發生在接面邊界。依照這種方式，二極體的順向 電流流動是依靠少數載子的注入，被注入的少數載子在該區域與多數 載子進行複合來放出能量。當施加逆向偏壓於發光二極體時，橫過空 乏區不會發生載子注入的情形，因此也不會有光的放射。少數載子與 多數載子複合放出的能量和光的關係可由下式表示：

E^λ=hv (E^λ為電子電洞所放出的能量)

在實際發光二極體的情況下，Eλ 隨著所使用物質的能隙和使用 的情況而不同，以及 doping 種類和 doping 含量的不同，Eλ 的值會 有稍微的差異性。

在 LED 之內部效率(internal efficiency)與外部效率(external efficiency)存在相當大的差距。在 LED 中，高品質之量子井(QW)可 以具有 90%之內部效率，但是相對的外部效率往往只有 10~20%。而最 主要會致使 LED 之外部效率如此之低的原因是由於量子井所發出的

光當中，只有少部分之光可以從高反射率之半導體中出射到空氣之 中。假設半導體中之折射率 n^s為 3.5，從斯乃爾定律來計算，則其出 射角只有 16^o，因此自發性放射立體角=(1/4n^s2)x4π 中大約只有 2%

之光線可以出射，而在被反射之光就有會被材料再次吸收之可能。

因此為了提升可以出射光的強度，主要之概念便是將改變原本是 在出射角以外之光線之方向，使其光線可以藉由隨機的路線分佈，提 升光進入出射角的機會。而要使光線重新分佈之方法便是讓量子井重 新吸收光能量而在一次進行載子的複合。但是這必須建立在磊晶品質 很高之條件之下，且在結構材料本身便會吸收光，因此在光來回傳輸 的過程中會產生衰減，而這一些被吸收光之能量也會在元件中產生 熱，因而提升元件操作溫度而使元件特性產生劣化。

讓發光二極體能朝高亮度高功率特性的方向發展，使其有更大的 發揮空間和前景。因此，有許多的研究團隊致力於提高發光二極體的 發光亮度及其功率。在不考慮磊晶品質的條件下，依現在的研究發現 主要的概念有二方面：提高光取出效率（Light-extraction

efficiency）及減少焦耳熱效應（Joule-heat effect），以下分別對 這兩個主題作說明。

1. 提高光取出效率（Light-extraction efficiency）

半導體發光二極體的輻射發光效率（Radiant efficiency，η^R） 又被稱為功率轉換效率（Wall-Plug efficiency，η^wp）是光輸出功 率與輸入功率之比，其數值如式所示：

η^wp ＝ η^ext × η^v η^ext：外部量子效率 η^v：電壓效率

而外部量子效率（External quantum efficiency）數值的大小 則可由下面的公式做表示［17］：

η^ext ＝ η^inj × η^rad × η^opt

η^inj：電流注入效率（Injection efficiency）

η^rad：內部量子效率（Internal quantum efficiency or Radiative efficiency）

η^opt：光取出效率（Optical efficiency or Light-extraction efficiency）

η^inj數值的提升主要是使電流能有良好的分佈及減少各材料間的 接觸電阻。關於電流分散層（Current Spreading layer）則有 X. A.

Cao 等人［18］及等人 J. Song［19］的研究，在此不做描述。η^rad 數值的大小主要是由磊晶的品質來決定的，以現今的發展情況已可使 內部量子效率達到 70%左右，而光取出效率（η^opt）則是目前發展高 亮度高功率發光二極的瓶頸也是大家所關注的焦點。主要的概念是藉 由結構及材料的改變以減少發光層產生的光在二極體內部的損耗。

近幾年以來已經有很多研究團體發表了製作高亮度高功率發光 二極體的方法，依其製程方式大約可以區分為：

(1) 幾何變形（Geometrically deformed）：

當光從高折射率的半導體材料（n^GaN＝2.5）傳至空氣中（n^air

＝1）時，只有在臨界角（Critical Angle）內之光可以完全被 射出，其它的光則在內部反射或被吸收。Schad 等人［20］用理 論計算有斜邊結構的 Sapphire（n^Sap＝1.785）與 SiC（n^SiC＝2.7）

基板中傾斜角 τ 對光取出功率之影響 ，如圖 2-7，發現當 τ＝

64°時，光取出效率增加最多，如圖 2-8。如圖 2-9 所示，如為傳 統的方形結構則其光取出路徑只有編號為(1)的區域，當傾斜 64°

時則光取出路徑包含了(1)及(2)的區域，大幅提高了光的取出機 率使其亮度提升。Osram 公司利用此法，將原本的平面方形 SiC 基板 GaN 發光二極體做成斜邊後（ATON）使光放出效率由 25%增 加至 52%。

(2) 覆晶技術（Flip-chip technology）：

主要是因為發光二極體的封裝方式的限制，如圖 2-10，使得 元件的發光效率主要是由上部取出的光來決定。而因為電流分散

層（Current Spreading Layer）及導線大多為吸光材料而使得 元件所發出的光有一部份被其所吸收，而造成發光強度的下降。

使用覆晶技術主要是讓光從透明的藍寶石基板取出而提升元件 發光亮度，如圖 2-11。J. J. Wierer 等人［21］利用此法使外 部量子效率相較於傳統藍光發光二極有 1.6 倍的提升，如圖 2-12。

(3) 表面織狀結構（Surface texturing）：

主要是藉由表面粗糙的結構來減少全反射的發生，利用增加 光的射出路徑進而提高元件的發光亮度，如圖 2-13［22］。在 1993 年時 I. Schnitzer 等人率先利用此種表面組織結構使外部量子 效率由 9%增高至 30%。而 C. Huh 及 T. Fujii［23］等人也利用 此方式有效的提高元件的發光效率，如圖 2-14。

(4) 反射鏡面（Reflective mirror）。

因為紅光發光二極體所使用的砷化鎵（GaAs）基板為不透明 的吸光材料，藉由布拉格反射層（Distributed Bragg

Reflector：DBR）［24］，如圖 2-15 及高反射率的金屬［25］（如：

Ag、Pt、Al）使二極體發出的光不被吸收，如圖 2-16。而對於藍 光發光二極體則無吸光基板的問題，因此、大多會配合晶圓接合 技術將磊晶層轉移置至高導熱的導電基板上，將會再下一個主題

作詳細的解說。

圖 2-7 幾何改變形狀 LED 示意圖（ATON）[20]

圖 2-8 比較 SiC 及 Sapphire 基板用 ATON 結構之光取出效率與角 τ 之關係圖[20]

圖 2-9 ATON-Chip 的光取出路徑示意圖[20]

圖 2-10 傳統的發光二極體封裝示意圖[21]

圖 2-11 覆晶型發光二極體結構示意圖[21]

圖 2-12 覆晶型與傳統發光二極體光取出效率比較圖[21]

圖 2-13 不同表面粗糙度的可能光行進路徑[22]

圖 2-14 傳統與經表面粗糙化的 LED 分別在(a) Sapphire 和(b) Transparent metal layer 面檢測的發光功率差異[23]

圖 2-15 DBR 型發光二極體示意圖[24]

圖 2-16 利用鏡面反射層防止光被吸光基板所吸收[25]

2. 減少熱效應（Joule-heat effect）

隨著順向注入電流的增加也使得發光二極體產生較多的熱能，因 為基板的導熱性不佳造成熱能聚集而使得二極體的特性下降，如圖 2-17［30］。經由導熱基板的替換或加大元件尺寸［27］可提升其發 光功率。

在導熱基板的置換上，R. H. Horng 等人［28-29］及 S. J. Wang 等人［31］利用高導熱的導電性基板去取代藍寶石。如表 2-1，配合 鏡面反射層（Al、Pt、Ag）的應用，使其對於元件的亮度及功率都有 大幅的提升。

Horng 等人也使用電鍍銅及 Ag mirror 的方法（圖 2-18）去提升 其散熱性和銅不易切割的問題，使元件在 20mA 驅動下，發光強度有 約1.5 倍的提升，驅動電流也可提升至 180mA，與傳統藍寶石基板相 較約有2.5 倍的提升（圖 2-19）。

圖 2-17 元件特性和溫度的關係[26]

Thermal Conductivity (W/m-K)

Sapphire 39 Copper 401 Aluminum 247 Silicon 141 Nickel 90

GaAs 44

SiC 490

Diamond 1000-2000

表 2-1 各種塊材材料的熱傳導係數。

圖 2-18 E.P. Cu/Ag/LED 結構的 SEM 俯視圖[29]

圖 2-19 Electroplating Cu sub.與 Sapphire sub.藍光發光二極體的 L-I 圖[29]