Emitting Diode,LED)及雷射二極體(Laser Diode, LD),

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第四章

光傳送器與 LED照明光源

目前最常用於光纖通訊的光源為發光二極體 (Light

Emitting Diode,LED)及雷射二極體(Laser Diode, LD),

這兩者皆是依賴半導體的動作原理。

相較於傳統燈泡,LED具有省電、環保等優點,所以也

有人稱 LED為綠色照明。從LED的發展背景可知,其

可使用的壽命長達60年,是常規電燈泡的100倍,消

耗的能量卻只有電燈泡的10%;並且它的電壓低,不

會有觸電的危險,也不用再面對如此大幅度的供電不

足,這就是被預言為2008年將會被廣泛應用於家庭照

明,未來 10年內完全替代電燈泡的新型照明裝置。

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本章大綱 本章大綱

第一節 雷射

第二節 發光二極體

第三節 照明白光LED介紹

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第一節 雷射

(a) 吸收:物質從外部取得電能或光能後,部份電子由較低 的能階躍升 到較高的能階

(b) 自發放射:經吸收後,電子被激發至較高的能階,經過一 短暫時間後,自然回到較穩定的低能階,此時會釋放出能量,

以光或熱的型式分散發射,普通光源及LED的發光過程即是如 此,所發出的光並非單色光,而具有一定的頻寬

(c) 激發放射:躍升到較高能階的電子,除了自發發射外,部 份也會受入射光的作用而回到較低能階,此為受激激發

就能階的觀念來看,每一種原子都有特定的能階,電磁波與原子 的交互作用可以分成以下三種如圖一

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圖一 三種電磁波與原子的交互作用

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雷射管的基本構造包含兩個鏡面,其反射率分別為R1,R2,且光腔 長L,腔中含有活性介質,當活性介質即激發狀態之原子釋出光子 時,光子在共振腔內來回震盪,且其長度及大小是固定

圖二 雷射之基本結構

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假設光線初始由鏡面1出發,強度為I0,經過活性介質,其小信號放 大率為 r,走到鏡面2後,強度增為 ,由鏡面2反射回來之強度 為 ,再回到鏡面1時,強度為 ,此時由鏡面1上反 射出來的光束強度更增為

圖三 光束能量在共振腔中行進與反射時之變化 erL

I R 2 0

光波之波長必須滿足以下條件:

2 π 2 L q 2 π λ = ⋅

erL I 0

2rL 0

2 I e

R ⋅

rL 2 0 2

1R I e

R ⋅

雷射之臨界條件(Threshold Condition)

1 2

1 1

ln( )

r 2

L R R

=

0 2rL

0 2

1

R I e I

R =

(1) or

(2)

(3)

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Fabry-Perot雷射

Fabry-Perot共振腔,是藉由切割晶片兩端面以達成高度反射及平行的 鏡面。Fabry-Perot雷射由於屬於多模態(波長)形式,在傳輸中會有色 散現象,限制傳輸的距離,但因其成本較低,仍是最廣泛被應用的一 種發送器

圖四 Fabry-Perot雷射示意圖 圖五 Fabry-Perot雷射波長分佈示意圖 資料來源:工研院

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分佈式回授 (Distributed feedback,DFB) 雷射

DFB雷射其回饋並非藉由共振器的兩鏡面而已,而是分佈在整個共振器 上,所以需要製造出一個光柵,使某層厚度沿著共振器而有週期性的變 化,光柵週期為Λ,在作用區中的眾多光波,其中符合Bragg繞射條件,

即 2Λ = mλ,m = 1, 2, 3... (4) 其中λ為光波波長 圖六 分散式回授雷射示意圖

資料來源:工研院

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垂直共振腔面 (Vertical Cavity Surface Emitting) 雷射

VCSEL雷射與其他雷射二極體最大不同是共振腔為垂直而非 水平,使得光源由腔底反射,造成光源是從頂端射出,如圖 七

圖七 VCSEL結構示意圖

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如圖八所示,為He-Ne雷射之結構圖,主要將He與Ne原子的混合氣 體置於放電管中,在放電管兩端為鏡面,作為受激發射之反射鏡,

以增強共振腔內的強度

圖八 He-Ne雷射原理示意圖

氦-氖 (He-Ne ) 雷射

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氮氣紫外線雷射

其結構如圖九所示,為在一高壓絕緣之塑膠片或鐵氟龍(Teflon)片上 下各平舖一層薄銅片或鋁片,上層銅片在中央部分分割成兩片,並 隔開間距d約為2~3.5mm,銅片相對處要磨尖,在其上黏貼兩根平 直之銅棒,兩銅棒間距d0約略小於d,如銅棒半徑為r,電磁波銅棒 表面之傳播速度為υ,則

圖九 氮氣雷射構造圖

(

0

)

1 2

r d d

c

υ

≅ − × π

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第二節 發光二極體(LED)

如圖十,電子電洞注入後,在P-N接面上結合,且注入電流與外加電壓之關 係為:

1 0 e x p ( q V )

i i

β k T

=

其中為與材料有關之常數,為P-N順向偏壓的值,為波茲曼常數,且發光波

長為: 1 .2 4 ( )

( )

g

g g

h c m

E E e V

λ = = μ Δ

(6)

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圖十 LED的注入機制(Injection mechanism)

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LED產生的光能與順向驅動電流的大小成正比,如圖十一,一個典 型的能量-電流曲線圖,其線性關係可由下列論證中說明:電流是每 秒注入電荷的量,則每秒鐘的電荷數將是 ,其中 是每個電子 的電荷量大小,假設 是這些電荷中會重結合並產生光子的比率,

則光能輸出為:

/

N =i e η e

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圖十一 LED能量-電流關係圖

g g

P NW W i

e η η

= =

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表面發光二極體(Surface-Emitting LED,SLED)結構特性:

如圖十二,較低的P層區域主要功能為反射器(Reflector),而上層N型 區域是透明,因此光源由上發射,基本上,其發射半功率角度為 120°,稱為朗白尼光源

圖十二 雙異質結構SLED

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巴魯型式發光二極體(Burrus-Type LED)結構特性:

(1) P-GaAs和P-AlGaAs功能有下列兩項 (a)具有反射器功能

(b)限制電子電洞複合區域更接近P-N接面

(2) 蝕刻井進入上端N層結構,可聚集發光二極體的光輸出

圖十三 巴魯型式發光二極體結構

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邊緣(側光)發射發光二極體(Edge Emitters LED,ELED) 結構特性:

(1) P-layer 1和N-layer 1主要使聚集活性區電子電洞對注入濃度增加

(2) P-layer 2和N-layer 2的目的為,使產生的光,更集中束縛於活 性主動區

(3) 光子在整個長度L作用區產生,但僅由邊緣(Edge)發射

(4) ELED輸出光束為扁平狀,其垂直角度(Perpendicular)約為30°,水 平角度(Horizontal)約為120°

(5) 二氧化矽(SiO2)絕緣層,使ELED為條狀(Stripe)結構操作

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圖十四 邊緣發光二極體(a)側視圖(b)完整結構圖

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第三節 照明白光LED介紹

LED利用半導體中電子與電洞結合時,將多出的能量以光的形 式釋放,而不同的材料會發出不同的波長,也就會看到不同顏色 的光,如圖十五

圖十五 各材料的磊晶技術及發光顏色比較圖

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圖十六為LED最簡單的元件結構圖。將LED的晶片(LED Chip)固定 在一反射槽(Reflector Cup)上,以金屬線Wire Bond連接LED Chip的正 負極,之後以環氧樹脂(Epoxy)封裝

圖十六 傳統式發光二極體的元件結構

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在同質接面結構中,電子在半導體導體帶中向左流很順利,電洞在 半導體價電帶中向右流也很順利,因沒有很大的能障,使電子與電 洞相遇而復合(產生光)的機率極低,亦即發光效率很低。為提高 電子、電洞復合機率,便運用雙異質結構如圖十七,使中間發光層 的能隙,小於兩旁束縛層的能隙高度

圖十七 雙異質接面構造

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圖十八 傳統發光二極體晶粒的製作為標準的矩型外觀(左圖) ,光容易在晶片裡 面全反射而出不來。Lumileds的TIP型晶片(右圖) 4個截面將不再是互相平

行,而光就可很有效地被引出來 ,外部量子效率則大幅提升至55%,發光效率 高達100 lm/w。

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透明基板黏貼技術主要是將發光二極體晶粒先在高溫環境下施加壓 力,並將透明的GaP基板粘貼上去後,再將GaAs除去,如圖十九,

如此便可提高二至三倍的光萃取率

圖十九 晶片黏貼之示意圖

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Osram Opto Semiconductors在2003年2月也發表了新的研究成果-

ThinGaN,如圖二十,可將藍光LED光萃取率提昇至75%,比起傳 統提昇了3倍

圖二十 Osram一些提升LED光萃取率的方法

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將元件的內部及外部的幾何形狀粗化,破壞光線在元件內部的 全反射,提升元件的出光效率,如圖二十一。這樣的方法最早 是由日亞化學所提出,其粗化方法基本上是在元件的幾何形狀 上形成規則的凹凸形狀

圖二十一 Nichia將原本平整的晶片表面(左)上,做一週期 結構以破壞其平整性,增加其光萃取率。

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Flip Chip結構:如圖二十二,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,再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,可得到接近於傳統封裝方式兩倍 左右的光量輸出

圖二十二 覆晶(Flip Chip)的結構圖

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白光LED製作方法

(1) 藍光LED+黃光螢光粉 :由藍光LED激發塗佈在其上方的 黃光YAG螢光粉,螢光粉被激發後產生的黃光與原先的藍光互 補而產生白光。目前日亞公司市售商品乃是利用460nm的 InGaN藍光半導體激發YAG螢光粉,而產生出555nm的黃光

(2) UV LED+RGB螢光粉 :利用藍光晶粒配合黃光YAG螢光 粉的白光LED封裝技術是目前較成熟的技術

(3) 多晶型RGB LED混光 :發出紅、藍、綠三種顏色的晶 粒,直接封裝在一起,藉由紅、綠、藍三色直接配成白光的方 式,可製成白光LED

無論是將LED亮度提升或是要求LED發出白光,都是希望達到固 態照明(Solid State Lighting)的目的

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如圖二十三,以美國的LumiLeds、歐洲的OSRAM Opto

Semicondutors 的垂直整合程度最高,但日本的Nichia 及Toyoda Gosei則是在藍光方面具有領先的技術及專利,因此藍光佔營收 比重則較高

圖二十三 各大廠佔藍光比重及垂直整合程度比較

資料來源:資策會MIC

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圖二十四 LED上中下游結構圖 LED應用的市場非常廣,待白光LED能夠成 熟量產後,則以照明市場最具潛力

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