一、報告內容：
（一）前言
LED 光源具有節省能源、環保與堅固耐用…等優點，具有取代傳統照明的潛力，因此 相關研究在 2000 年獲得諾貝爾獎的肯定。2000 年諾貝爾獎物理項得主 Herbert Kroemer 就 是因為異質結構半導體界面的研究而獲獎，而他的研究正是 LED 發展的基礎。2000 年諾貝 爾獎化學項得主之一 Alan J. Heeger 則是因為研究高分子導電材料而獲獎，而他正是 OLED (Organic Light Emitting Diode)的先驅。自從 1995 年開始，高亮度 LED 以每年 50%的速率 成長，在 2001 年達到 12 億美元，其主要的應用包括交通號誌燈、室外單色或全彩訊號燈、
汽車外部與內部照明、液晶(Liquid Crystal Display, LCD)背光板等等。
以今日的技術而言，有四個方法實現白光 LED 較有可行性。第一種方法係使用以 InGaAlP(紅)、GaN(藍)與 GaN(綠)為材質的三顆 LED，分別控制通過 LED 的電流發出紅、
藍及綠光。因這三顆晶粒是放在同一個燈泡(lamp)中，透鏡可將發出的光加以混合而產生白 光。第二種方法係使用 GaN 與 GaP 二顆 LED 亦分別控制通過 LED 的電流，發出藍及黃 綠光以產生白光。目前這兩種方式的發光效率可達到 20 lm/W，但這二種方法有些缺點，
即這些同時使用的不同光色 LED 若其中之一發生故障，則將無法得到正常之白光，且因它 們的正向偏壓各不相同，故需多套控制電路，致使成本較高，這些都是實際應用上的不利 因素。第三種方法是 1996 年日本日亞化學公司(Nichia Chemical)發展出以氮化銦鎵(InGaN) 藍光二極體配合發黃光之釔鋁石榴石型螢光粉(yttrium aluminum garnet；YAG)亦可成為一 白光光源。此法因只需一組 LED 晶片即可，故大幅降低製造成本，再加上所搭配之螢光粉 調製技術已臻成熟，被視為極具應用潛力之方法，然此法上有其缺點，除了發光效率較前 兩者為低之外，利用互補色原理以產生白光，其光譜波長分布之連續性不如真實的太陽光，
導致色彩飽和度較低，雖然人眼可以忽略這些空隙，只看見白色的光，但在一些精密度較 高的光學檢測器之感測下，例如攝影機或照相機等，因其演色性實質上仍較低，故所得之 物體色彩會產生誤差。第四種方式為配合目前技術已經成熟且低價的日光燈螢光物質所開 發出的紫外光 LED 最受重視，因為用藍光 LED 及 YAG 螢光所做成之白光 LED，其白光 之色溫受藍光波長之影響，如果將不同藍光波長所做成之白光 LED 放在一起，因為眼睛很 敏感會有不均勻之現象發生。如果用紫外光（Ultraviolet, UV）LED 加上可以產生紅、綠、
藍三種螢光材料來調節做成白光，則可得到均勻的白光 LED。
（二）研究目的
子計劃一
為了達到高能量效率的白光發光二極體，堆疊式發光二極體結構已逐漸受到重視。此 結構由 AlGaInP 發光二極體上堆疊 InGaN 發光二極體，除了結合 InGaN 發光二極體與 AlGaInP 發光二極體所提供的互補色以產生白光，更可以避免不必要的光吸收。
子計劃二
利用特殊電極設計提高大面積 LED 晶粒的電流分散效果，達到提高大面積 LED 之發
強此發光二極體之輸出功率，我們在元件背面以電子束蒸著的方式沉積鋁反射鏡。使用 P 型 ITO 接觸電極與鋁背面反射鏡的高功率發光二極體在發光波長為 460 nm 及操作電流為 350 mA 時，其輸出功率為 84.8 mW(W-P-E =7.2%)。而且同時使用 P 型 ITO 接觸電極與鋁 背面反射鏡比起只使用 P 型 ITO 接觸電極的高功率發光二極體更為可靠。
子計劃三
本研究計畫以高品質之 AlGaInP 磊晶膜，利用光激發光之方式獲得紅光光源，配合 GaN 系之藍、綠光發光二極體來製作白光發光二極體。解決利用互補色所製作之白光，雖 然發光效率很高但是卻有演色指(color-rendering index)只有 10 太過偏低與使用 R、G、B 三 種顏色之 LED 雖有高發光效率與高演色指數卻成本太高之問題。由於綠光和藍光 LED 之 主要材料皆為 GaN，因此其溫度特性與元件壽命差異很小，且驅動電壓相同，可以減輕驅 動電路設計之複雜度並降低生產成本。
子計劃四
在研究計畫中，第一年主要是研究 InGaN/GaN 及 InGaN/AlGaN 多層量子井 400nm 紫 外光發光二極體結構，藉由相關磊晶驗證及製程技術的建立，成功研製出 400nm 紫外光發 光二極體，並且使用磊晶法成長高鎂濃度 InGaN 當作電極接觸層，以提昇 UV LED 之電 特性與可靠度；除此之外，我們也積極使用 MOVPE 成長 AlInGaN 此四元化合物，以期 能藉此化合物之生成來調節多層量子井之能隙(Bandgap)與晶格常數匹配度，進而加以改善 LED 之發光特性，使之能符合達到白光應用的需求。而在第二年的研究計畫中，主要目的 是研究 Al0.3Ga0.7N/GaN 單層量子井(SQW)360nm 紫外光發光二極體結構設計，並藉由相 關磊晶驗證及製程技術的建立，研製出 360nm 紫外光發光二極體。另外，我們也積極使用 前一年度開發之 400nm UV LED 來搭配 RGB 螢光體，以期能達成白光發光二極體，進而 加以改善白光 LED 之發光特性，使之能符合達到白光應用的需求；另一方面，在傳統藍光 LED 搭配 YAG 螢光體之白光 LED 方面，針對藍光 LED 部分，我們使用 P 型表面粗化技 術來達到增進發光亮度之目的，也完成相關白光 LED 之封裝應用，對於使用此粗化技術來 製作應用之白光 LED 的特性，也順利完成劣化分析，也一併建立其壽命(Life-time)模型方 程式，以提供產業界作為壽命分析之參考。
（三）研究方法
子計劃一
此研究主要是由 484 nm InGaN 發光二極體與 587 nm AlGaInP 發光二極體所構成之白 光發光二極體。元件的結構如圖 1、圖 2 所示。其製作方式首先在 AlGaInP 發光二極體上(除 p-pad 以外)塗佈透明黏著劑，接著將 InGaN 發光二極體對準置放於 AlGaInP 發光二極體上，
並以 150℃熱處理 10 分鐘。最後用銀膠連結 InGaN 發光二極體的 n-pad 與 AlGaInP 發光二 極體的 p-pad，以 100℃熱處理 20 分鐘。
圖 1 InGaN 發光二極體與 AlGaInP 發光二極體堆疊所構成之白光發光二極 體之側視圖。
(a) (b) (c)
圖 2 (a) InGaN 發光二極體 (b) AlGaInP 發光二極體 (c) 堆疊式白光發光二 極體之俯視圖。
子計劃二
本研究中所使用的氮化銦鎵 / 氮化鎵磊晶層皆由金屬有機氣相沉積方式成長於藍寶 石（Al2O3）（0001）基板上。高濃度短週期超晶格穿隧式接觸結構是由四對成長在 P 型氮 化鎵覆蓋層上之高濃度 In0.23Ga0.77N/GaN (5 Å /5 Å ) 所組成。接著將剛成長完成的試片在氮 氣中以 750℃之溫度退火二十分鐘來活化 P 型層中的鎂。然後利用蝕刻方式定義出元件之 N 型區域，隨後即沉積 P 型及 N 型金屬接觸電極。將磊晶晶圓被面磨薄，並以雷射裁切成尺 寸為 1 mm×1 mm 單一晶片並封裝成元件。我們利用積分球來測量其輸出功率，並藉由持續 在室溫下注入 500 mA 直流電流超過一千小時的方式來評估這些功率晶片之可靠性。為了 探討不同接觸電極材料之光學性質，我們也在玻璃基板上沉積鎳金合金、ITO 與鋁，並量 測其穿透及反射特性。
子計劃三
由色彩科學的研究得知，人眼對觀測物所呈現之色彩的感覺，則是隨著觀測物所反射 進入人眼之不同波長之反射光強度而有所不同。對於不同波長之單色光在不同比例強度下 混合所產生之混合光色彩，在判定上可由楊格(Young)與霍姆霍茲(Helmholtz)所提出之三原 色說(trichromatic theory)來獲得。所謂三原色說(trichromatic theory) ，是指在混合適當比例 R、G、B 三種色光即可產生某種特定顏色的光。同樣地，雖然 LED 僅可發出單一波長之
可見光，但是如果應用上述之混色理論即可使用 LED 製作出高亮度、高效率可之白光 LED。本研究以混合 RGB 三種光源來製作白光發光二極體，其中藍光與綠光光源分別由 GaN 系之藍、綠光發光二極體以外加電流注入之方式產生。而紅光光源則以高品質之 AlGaInP 磊晶膜，利用半導體之 Photon-Recycling effect 在吸收藍光或綠光發光二極體所發 出之短波長光源後轉化為長波長的紅光光源的方式產生。而利用 RGB 三原色混色法製作 白光光源，其合成光源之顏色在判定上藉由量測該光源在 CIE_1931 色度圖上之色度座標 所在位置而獲得標準化之比較數值。而在合成特定色度座標之光源，在技術上可藉由調控 RGB 三原色在合成光源中所佔的比例來達成。其中藍光、綠光之相對比例強度可藉由改變 外加電流之大小值來控制，而紅光部分則以改變 AlGaInP 磊晶膜之開孔面積的比例來達成。
子計劃四
研究方法主要分為下列幾項:
(1) 設計並使用 MOCVD 完成 285nmAl0.32Ga0.68N/Al0.4Ga0.6N SQW UV LED，並完成元 件製作以及光電特性量測與分析比較。
(2)設計並使用 MOCVD 完成 Al0.25In0.04Ga0.72N 四元材料磊晶工作，並用來製作金半金 光檢測器(Metal-Semiconductor-Metalphotodectors)。
(3)使用所研發之白光 LED 於白光照明應用之專題實作成品報告，專題包括白光 LED 應用 於 LCD 側光源背光源模組、白光 LED 應用於 LCD 面光源背光源模組、新型照明用白光 LED 燈板技術以及高亮度增亮膜特性研究及探討。
（四）結果與討論（含結論與建議）
子計劃一
堆疊式白光發光二極體在不同操作電流的電激發光頻譜如圖 3 所示。InGaN 發光二極 體方面，當操作電流從 5 mA 增加到 20 mA，波峰呈現藍移的現象，這主要是由於自由載 子遮蔽效應所致[3,4]。隨著電流的增加，波峰則呈現紅移的現象，此主要是由於焦耳熱效 應所導致。因為波長偏移的不同，堆疊式白光發光二極體則依不同的操作電流具有不同的 色度座標位置。
二極體與 AlGaInP 發光二極體之波長變化。
圖 4 是堆疊式白光發光二極體操作在 5、10、20、50 以及 100 mA 電流下的 CIE 色度 圖。由圖可知，隨著操作電流的增加，CIE 色度座標由暖色系演變至冷色系。
圖 4 堆疊式白光發光二極體操作於 5、10、20、50 以及 100 mA 電流下的 CIE 色度圖。
圖 5 是堆疊式白光發光二極體操作在不同環境溫度的色度座標變化情形。其中，操作 電流固定於 20 mA，環境溫度由 25℃增加至 75℃。如之前所述，溫度增加會導致能隙減小 與 InGaN、AlGaInP 發光二極體光頻譜紅位移。然而，在特定的溫度範圍中(如圖兩箭頭所 示)，色度座標隨著溫度上升以相反方向移動，使其顏色呈現互補色。此對環境溫度變化的 良好容忍度正是堆疊式白光發光二極體的主要特點之ㄧ。
圖 5 不同環境溫度下堆疊式白光發光二極體色度變化。圖中所示之兩箭頭 分別代表 InGaN、AlGaInP 發光二極體。環境溫度由 25℃增加至 75 ℃。
圖 6 是 InGaN、AlGaInP、堆疊式白光發光二極體的電流-電壓特性圖形。堆疊式白光 發光二極體的操作電壓相當於 InGaN 與 AlGaInP 發光二極體的操作電壓總和。因此，在固
定的操作電流時，堆疊式白光發光二極體所產生的熱問題將會比 InGaN 與 AlGaInP 發光二 極體嚴重。
圖 6 InGaN、AlGaInP、堆疊式白光發光二極體的電流-電壓特性圖形。
圖 7 為堆疊式白光發光二極體的流明通量、效率與操作電流的關係圖。其流明效率在 20 mA 時為 14.56 lm/W，此與鎢絲燈泡的流明效率接近(~15 lm/W)。
圖 7 堆疊式白光發光二極體的流明通量、流明效率與操作電流的關係 圖。
此堆疊式白光發光二極體具有以下特點：元件製程比光子再生白光發光二極體容易，
另一特點是單晶片設計，所以只需ㄧ個驅動電路且沒有複雜的光學系統混合 R-G-B 三顏色。
由於堆疊式白光發光二極體是兩色光系統，所以其演色性指數將比三色光系統低，其 値無法超過 20。所以，目前堆疊式白光發光二極體僅應用於指示燈與顯示器方面。另一個 缺點是組合損(assembly loss)。組合損為個別發光二極體(InGaN、AlGaInP)與堆疊式白光發 光二極體的流明通量差異。如表一所示，操作電流在 20 mA 時，組合損高達 22.57 %。組 合損可能是來自於 GaP 與 sapphire 的接面、GaP 對 484 nm 波長的光吸收，或者是熱效應。
藉由採用 ITO 取代 GaP，內部反射與吸收將可以降低。如此，InGaN 發光二極體所產生的 光子，進入到 AlGaInP 發光二極體的主動區中，能產生光子再生的效果。熱效應問題可以 藉由電鍍銅基板方式來加以改善[5]。
表一 堆疊式白光發光二極體的組合損估算。
子計劃二
在本實驗中我們使用有機金屬化學汽相沉積系統(MOCVD)再 0001 面的藍寶石(Al2O3) 基板上成長 InGaN/GaN 磊晶結構。詳細的磊晶過程已經報導在其他的文獻中(1-8)。成長在 p-GaN 上的 n+ SPS 穿透電極結構包含了 4 對的 n+In0.23Ga0.77N/GaN (5A/5A) (7-10)，所 有的試片在長晶過後會在爐管中以 750C 氮氣的環境下回火 20 分鐘進行活化。在 LED 製 造過程中，裸露晶片的表面將會以乾蝕刻的方法蝕刻 n-GaN 表面，之後則是以蒸鍍的方式 將 p 型與 n 型電極蒸鍍至晶片表面。隨後試片經過研磨、拋光與雷射切割等過程而成為單 一晶粒(面積 1mm x 1mm)並進行封裝。在實驗中我們使用積分球的方式來量測 LED 的光輸 出功率。在壽命測試方面，我們使用的條件為室溫、500mA 進行 1000 小時以上的測試。
為了比較電極之間的光特性，我們同時將 Ni/Au、ITO 與鋁蒸鍍在玻璃基板上並比較這些 材料的光穿透率與反射率等特性。
圖一顯示鋁在波長 400-600 nm 的穿透率，由圖中的結果我們可以發現鋁擁有極高的反 射率(在波長 440nm–475 nm 穿透率> 90%)，另一方面我們也可以在圖中發現 ITO 在波長 460 nm 時的穿透率超過 90%。因此使用 ITO 透明電極與 Al 反射鏡以提昇發光二極體的 光輸出亮度是可行的。圖二顯示在本實驗中為了減少由於大面積與大電流注入之下而產生 的電流擁擠效應而設計的發光二極體電極分佈圖。使用指叉狀電極可以減少電流分散的阻 力。在高功率晶粒的設計中，所有的電極指叉狀結構都將被用來減少電流擁擠效應。雖然 越多的指叉狀結構可以得到較均勻的電流分佈，然而過多的指叉狀結構將使得 LED 在黃光 對準的過程中難以精確控制，同時過多的指叉狀結構也會因為遮光效應使得光輸出減少，
在我們的實驗中，如此的電極分佈設計已是考量到外部量子效率、可靠度與電流分佈而得 到的最佳化設計。
在這些晶粒的電流-電壓(I-V) 特性上可發現在 350mA 電流注入下，使用 ITO 電極的 LED 操作電壓為 3.8 V，如此的操作電壓與使用 Ni/Au 為電極的 LED (3.7V) 相較之下僅 有些微的增加。圖三顯示這些 LED 晶粒亮度與電流(L-I) 的特型圖。由圖中我們可以發現 所有的 LED 光輸出功率都隨則電流的增加而增加，在 350 mA 的電流注入下 ITO+Al、ITO 與 Ni/Au 等 LED 晶粒的光輸出功率分別為 84.8 mW、69.5 mW 與 47.7 mW。使用 ITO+Al 反射鏡的 LED 晶粒可以得到如此多的光輸出功率可以除歸因於使用高穿透率的 ITO 電極 之外，鋁背電極的使用也使得 LED 的光輸出功率增加 20%。圖四顯示這三種製程結果下 的高功率發光二極體亮度壽命測試的結果。在我們的實驗中，我們皆假設亮度測試的初始 值為 100% 作為比較的基準。在經過超過一千個小時的測試後，我們可以發現以 Ni/Au 作 為 p 電極的 LED 其亮度衰減約 5%，而在同樣的測試下，以 ITO 為 P 電極的 LED 亮度 衰減約 10%。以 ITO 為 P 電極的 LED 亮度衰減較多的原因可歸因為 ITO 與 n+ -SPS 的
接觸電阻較 Ni/Au 與 n+-SPS 大，而較大的電阻會使得在電流注入下 ITO 與 n+-SPS 產生 較多的熱，這使得以 ITO 為 p 電極的 LED 在壽命測試下衰減較快。在晶片的背面鍍上反 射鏡能夠增加其壽命測試的良率，尤其是在大面積高功率的應用上。ITO 圖四中的壽命測 試資料中，我們所使用的高功率大面積發光二極體亦有結合 Al 反射鏡。雖然有些未背鍍 反射鏡的 ITO 高功率 LED 其壽命測試結果亦可達到相同的水準，然而在我們的測試中，
未背鍍 Al 反射鏡的試片在壽命測試的結果中皆會出現 1~2 顆晶粒完全不會亮的情況，其 原因可能是因為高電流注入下所產生的熱衰減與環氧樹脂的被破壞所導致。所以有背鍍鋁 反射鏡的 LED 晶粒在晶粒與封裝材料間可以得到良好的散熱。雖然 ITO LED 的壽命測試 表現不如 Ni/Au LED，但是其結果仍然相當不錯。
圖 2-1 鎳（5 nm）金（10 nm）合金、
ITO 之正規化穿透頻譜與鋁膜之反射頻 譜
圖 2-2 功率晶片之上視圖
子計劃三
1. 不同AlGaInP 磊晶膜之光轉換效率之比較
由於使用光子激發發光的效率不高，在轉換的過程當中容易造成太多不必要的能量損 失，故調配具高轉換效率之紅光磊晶膜結構成為首要目的。紅光磊晶膜之結構設計，如量 子井之對數、波長、侷限層之設計（厚度、濃度摻雜、成份），是否需蝕刻停止層等，此些 皆嚴重影響紅光之被激發效率。經本實驗室研究後，磊晶結構設計如表 3-1 所示，並實際 使用不同結構之紅光磊晶膜進行轉換效率的量測，於此、吾人選用四種不同結構之紅光磊 晶片各別進行藍，綠 LED 激發效率量測，四種結構之編號與差異如表 3-2 所示。由於本白 光 LED 元件之紅光光源部份是由 AlGaInP 磊晶膜所產生，因此找出一個高激發效率之 AlGaInP 磊晶膜結構正是首要課題，本研究中嘗試了四種不同的 AlGaInP 磊晶膜結構，分 別使用藍光 LED （波長 455~460 nm）、綠光 LED （波長 520~525 nm）進行光激發光之量 測與轉換效率之計算。
圖 2-3（同時）使用 ITO 電極與鋁反射鏡 面、ITO 電極、鎳金合金電極為 P 型接觸電 極的功率晶片之輸出功率與注入電流函數 關係圖
圖 2-4 以 P 型接觸電極為鎳金合金及 ITO 的功率晶片之相對照度為標準的存 活時間（生命週期）測試
2. 不同AlGaInP 磊晶膜之光激發光量測
圖 3-1、圖 3-2 分別為藍、綠光 LED 在 300 mA 時，對四種不同 AlGaInP 磊晶膜結構 的光激發頻譜。由藍光激發頻譜中可以發現，編號 A30 之磊晶膜結構被激發出最強的紅 光，編號 A05 之磊晶膜結構次之，A04、831C 之磊晶膜結構激發出來的紅光最弱，綠光 的激發頻譜也是相同的結果。根據我們嘗試的四種不同結構的磊晶膜可以發現，紅光磊晶 結構(如 831C)中之蝕刻停止層，GaInP 與薄 GaAs 都會對我們的激發光源造成吸收，蝕刻 停止層的存在會嚴重影響光激發之效率，所以必須用化學性濕蝕刻之方式將它移除。比較 A04 與 A05 之磊晶膜可以發現，磊晶結構中之侷限層(cladding layer)扮演著強制電子-電洞 在量子井(multiple quantum wells，MQWs)中復合之機會，可以從激發光譜中發現，相較之 下沒有侷限層之 A04 磊晶膜，大部份的激發光源都穿透出去，導致激發出來的紅光很微 弱。而被激發效率較好的兩種磊晶膜 A30、A05，其磊晶結構上只有量子井中之對數不相同，
A30 有 30 對量子井、A05 有 5 對量子井，我們發現當量子井之對數越多，AlGaInP 磊晶 膜被激發之效果就越好，因為有更多之量子井提供電子-電洞復合之機會。因為磊晶較費時 且成本較高，在此只討論這四種結構，以此結構去變化磊晶參數，勢必可以找出更佳之 AlGaInP 磊晶膜，在本論文中，我們使用 A30 與 A05 磊晶膜來製作我們的固態白光 LED。
3. AlGaInP 磊晶膜之光轉換效率計算
由光激發光頻譜中可以初步觀察到 AlGaInP 磊晶膜之被激發情形，本論文在此將之數 值化以便可以更準確比較與整理歸納。我們忽略各材料之反射與吸收，單純以光強度之改 變來做計算，藍、綠激發光源經過 AlGaInP 磊晶膜後如圖 3-3 所示，轉換效率之計算為產 生之紅光光強度除以被磊晶膜吸收掉之光強度，如下所示。
absorbed blue=original blue－escape blue blue to red eff.(%)= red power / absorbed blue
根據上述之激發效率計算方式，圖 3-4 為藍光激發 831C、A04、A05、A30 磊晶膜隨 著電流大小之效率分別為 2~4%、2~3%、15~19%、26~34%，對於以藍光為激發光源來說 A30 磊晶膜有最好的轉換效率，轉換效率隨著輸入激發光源的電流越大而越高，在一般大
Wavelength(nm)
表3-1、紅光磊晶膜結構設計 表3-2、紅光磊晶膜的編號與結構差異
不同磊晶膜之轉換效率圖，其效率分別為 4~5%、3~4%、52~64%、25~34%，對於以綠光 為激發光源來說 A05 磊晶膜有最好的轉換效率，不過由綠光激發光譜圖(圖 3-2)可以發現，
A30 磊晶膜激發出來之紅光光強度比 A05 磊晶膜激發之紅光還要高，轉換效率是指被吸收 的光強度轉變成激發之紅光光強度，綠光 A05 磊晶膜轉換效率之所以最高，是 A05 磊晶 膜消耗較少的綠光光強度就可以相對產生較多之紅光光強度。由 n&k 穿透率、反射率量測 系統量測 AlGaInP 磊晶膜在不同光波長下之穿透率如圖 3-6，A30 磊晶膜擁有較多對數之 量子井，在藍光 460 nm 之穿透率為 0.18%；綠光 525 nm 之穿透率為 2.88%，A05 磊晶膜 因量子井對數較少，其在藍光 460 nm 之穿透率為 3.77%；綠光 525 nm 之穿透率為 20.8%，
在 A05 磊晶膜露出較多綠光，相較之下其轉換效率較 A30 磊晶膜來的佳。
若將市面上螢光粉白光 LED 以此轉換效率之方法來做計算，其轉換效率大約 87%，
代表此光源消耗掉的藍光光強度，有 87% 轉換成 broad band 的光強度，這也說明了所使 用之磊晶膜其效率還嫌太低，需要藉由調變磊晶參數來做改善。
圖3-1、藍光LED 對不同AlGaInP 磊 晶膜之激發頻譜
圖 3-2、綠光 LED 對不同 AlGaInP 磊晶膜之激發頻譜
圖3-3、藍、綠激發光源經過AlGaInP 磊晶膜示意圖
圖 3-4、藍光激發不同 AlGaInP 磊 晶膜之轉換效率
4. 影響AlGaInP 磊晶膜轉換效率之因素
由上節可以清楚的瞭解到不同之 AlGaInP 磊晶結構有不同的光激發轉換效率，對於相 同的 AlGaInP 磊晶結構中，我們發現不同大小之 SMD 封裝，不同強度之激發光源與不同 環境溫度，其轉換效率會跟著改變，以下就 A30 磊晶膜來做分析。在這裡使用了兩個光強 度接近，不同大小之 SMD 封裝盒光源來做比較，小尺寸的 SMD 封裝盒長 0.7 cm、寬 0.6 cm，原始藍光強度 50 mA 為 0.029 W，原始綠光光強度 50 mA 為 0.0125 W，大尺寸的 SMD 封裝盒長 1.0 cm、寬 1.0 cm，原始藍光強度 50 mA 為 0.027 W，原始綠光光強度 50 mA 為 0.0128W。搭配上 A30 磊晶膜後製作出元件，量測其光激發光頻譜與比較其轉換效率。
圖 3-7、圖 3-8 分別為藍、綠光之光激發光譜圖，大、小尺寸 SMD 之藍光激發強度分 別為 0.0041 W、0.0078 W；大、小尺寸 SMD 之綠光激發強度分別為 0.0027 W、0.004 W，
各別對紅光部份之頻譜做積分，並計算其藍、綠光之轉換效率如圖 3-9、圖 3-10 所示，隨 著輸入電流增加，大、小尺寸 SMD 之藍光轉換效率分別為 11~17%、21~28%；綠光的轉 換效率分別為 10~15%、19~28%，由此可以發現因發光源件大小之差異，所使用之磊晶膜 面積大小，會直接影響光激發轉換之效率，其效率之差異大約與面積倒數之關係如圖 3-11 所示。
由上小節知道磊晶膜之面積會影響其光激發轉換之效率，故這裡使用相同面積之磊晶 膜與 SMD 封裝盒，探討不同激發強度之光源對轉換效率有何影響。兩種不同光強度之藍 光在 50 mA 分別為 0.06 W、0.024 W；兩種不同光強度之綠光在 50 mA 分別為 0.05 W、
0.017W，搭配上 A30 磊晶膜後製作出元件，量測其光激發光頻譜與比較其轉換效率。
圖 3-12 為相同大小不同發光強度之藍光光激發頻譜圖，高強度藍光激發磊晶膜後之強 度為 0.02 W，低強度藍光激發磊晶膜後之強度為 0.006 W；高強度綠光激發磊晶膜後之強 度為 0.023 W，低強度綠光激發磊晶膜後之強度為 0.008 W 如圖 3-13，各別對紅光部份之 頻譜做積分，並計算其不同光強度之藍、綠光之轉換效率如圖 3-14、圖 3-15 所示，隨著輸 入電流增加，高、低強度之藍光激發轉換效率分別為 26~32%、17~25%；綠光激發轉換效 率分別為 34~46%、32~41%，由此發現在磊晶膜量子效率飽和之前，激發光源之光強度越 高所獲得之轉換效率就越高，就結果所發現藍光所提升的效果較綠光提升來的顯著，綠光
圖3-5、綠光激發不同AlGaInP 磊晶 膜之轉換效率
圖 3-6、AlGaInP 磊晶膜在不同光波 長下之穿透率
當 LED 在長時間的使用之下，其發光效率會隨溫度提升而降低。在這裡利用特製之加 熱套筒來對我們的光源做加熱，來看溫度不同會對我們的光源產生怎樣之影響。LED 光源 是以 50 mA、50 ms 之 plus 電流做驅動，加熱之溫度由室溫 20℃到 80℃每 10 度為一間隔，
藍光 LED 搭配紅光磊晶膜轉換效率受溫度影響結果如圖 3-16，轉換效率從 16.5% 隨著溫 度升高而減少至 8.5%，由其激發頻譜圖 3-17 可以觀察到紅光磊晶膜受熱影響，波長會紅移 進而降低激發之效率。在溫度影響的部份綠光 LED 搭配磊晶膜也是相同之結果，轉換效率 如圖 3-18 從 18.5%下降到 9%，激發頻譜如圖 3-19 紅光 peak 也是有熱紅移之現象發生，
不過也可以發現綠光 LED 受熱影響的結果勝於藍光 LED，這是因為綠光 LED 銦含量參雜 較多，內部應力較大，所以受熱影響的現象較顯著。
與市售螢光粉白光 LED 做比較，由圖 3-20 螢光粉白光 LED 與溫度的關係可以發現，
操作溫度在 50℃ 以內藍光激發螢光粉的轉換效率維持在 84% 左右，當操作溫度升高到 80
℃，其轉換效率仍維持在 80% 以上的水準，說明了目前螢光粉白光 LED 之熱穩定性比我 們的固態白光 LED 元件要來的好。由此可知環境溫度對我們的光源有一定之影響，所以若 此白光元件應用上要保持一定的效率水準，在組成背光模組之後，光源有良好之散熱是我 們必須要克服的問題。
圖3-7、不同大小之藍光SMD 激發光 譜圖
圖 3-8、不同大小之綠光 SMD 激發 光譜圖
圖3-9、不同大小之藍光SMD 轉換效 率圖
圖3-10、不同大小之綠光SMD 轉換 效率圖
圖3-11、九、藍、綠光轉換效率與 小/大SMD 之比率
圖 3-12、不同藍光光強度之激發頻 譜圖
圖3-13、不同綠光光強度之激發頻 譜圖
圖 3-14、不同藍光光強度之轉換效 率圖
圖3-15、不同綠光光強度之轉換效 率圖
圖 3-16、不同溫度對藍光激發磊晶 膜之轉換效率
圖3-17、不同溫度對藍光搭配磊晶 膜激發頻譜之影響
圖 3-18、不同溫度對綠光激發磊晶 膜之轉換效率
5. AlGaInP 磊晶膜開孔率對光源特性之影響
本計畫所使用之紅光均由 AlGaInP 磊晶膜轉換而來，由於現階段無法確實掌握某特定 結構之磊晶膜，搭配特定的激發光源來產生我們所想要達到特定顏色之光源。由色彩混光 原理可以知道，在色度圖上之兩任意顏色，我們可以藉由調配兩色光之強度，混合出色度 圖兩顏色連線上之所有顏色。由此可知，我們可以藉由磊晶膜開孔率之調整，來產生不同 之光強度混合出不同顏色之光源。
我們在磊晶膜上以黃光微影的方式定義出開孔率，開孔率越大表示產生之紅光減少，
激發光源之透出增多。在 50 mA 藍光激發不同開孔率磊晶膜之激發頻譜如圖 3-21 所示，
其開孔對色座標之變化如表 3-3，可以發現當開孔率越高，藍光產生越多紅光越少，色度圖 上之色座標會往藍光方向移動；綠光激發不同開孔率磊晶膜之激發頻譜如圖 3-22 所示，其 開孔對色座標之變化如表 3-4，其結果與藍光激發不同開孔之磊晶膜相同，只是其色座標會 往綠光方向作移動。
6. 白光發光二極體之製作結果
有鑒於散熱上之考量，我們使用長 1 cm、寬 1 cm 高導熱之 SMD 封裝盒，製作出(1) 含 有紅光磊晶膜之螢光粉白光 LED 元件，(2) 兩藍光兩綠光搭配紅光磊晶膜之全固態白光 LED 元件。背光模組專用之螢光粉白光 LED 元件，是由高功率背光模組專用 LED，配合 大尺寸之散熱基座，以 SMD 的封裝方式搭配 AlGaInP 紅光磊晶膜完成背光模組專用之光 源。原始的白光 LED 為 4 顆 40 mil 藍光晶粒調配 YAG 黃色螢光粉，以 SMD 封裝於大 尺寸之散熱基座，使其色座標偏藍如表 3-5，電激發光光譜如圖 3-23 所示，原始電流-輸出 強度、電流-發光效率曲線圖如圖 3-24 所示。由於藍光激發黃色螢光粉產生互補色混成白色 光，其發光頻譜之 broad band 紅光光強度較弱，所以色彩表現較差。我們將此螢光粉白光 LED 搭配紅光磊晶膜，期望藉由光激發紅光磊晶膜來補強紅色光之不足，表 3-6 為此螢光 粉白光 LED 搭配不同開孔紅光磊晶膜在 50 mA 下之色座標，為了突顯紅光磊晶膜之功 效，我們搭配 30% 開孔之磊晶膜完成有點偏紅之白光 LED 元件(x = 0.374, y = 0.356)。
圖 3-25 為此螢光粉白光 LED 元件不同電流下之激發頻譜，其電流-輸出強度、電流- 發光效率曲線圖如圖 3-26 所示，在我們貼上紅光磊晶膜之後，發光效率大約降低 50%，其 中絕大部分轉換成紅光產生。散熱封裝基座的設計，能有效提供一個散熱途徑，將 4 顆高
圖3-19、不同溫度對綠光搭配磊晶 膜激發頻譜之影響
圖 3-20、不同溫度對藍光激發螢光 粉之轉換效率
功率大面積 LED 在高電流操作所產生的熱快速的移除，不會因熱效應的影響導致亮度飽和 或特性的衰退，而發光效率隨著注入的電流流增加而減少（13~7 lm/W, @20~500 mA），受 限於 YAG 黃色螢光粉與 AlGaInP 紅光磊晶膜之轉換效率之影響，此部分還可以藉由使用 效率更佳之黃色螢光粉與激發效率更好的紅光磊晶膜來改善。其白光 LED 元件發散角如圖 3-27 所示，由圖中可知發光強度一半時之夾角介於 110°~115° 之間（@50~350 mA），此一 光場分佈圖可提供於背光模組之專屬導光板模擬與製作。
藍光激發黃色螢光粉之白光 LED 雖然製作上較簡便，但其先天上就有色彩飽和度不佳 之缺點，一般商用高色彩之 LCD TV 均使用 RGB LEDs 三色混光之全固態白光來製作，不 過 RGB LEDs 的驅動電路設計較複雜，導致生產成本較高，所以我們使用 AlGaInP 磊晶膜 來取代紅光 LED 之使用，期望控制電流-電壓特性較接近之藍、綠 LED，搭配上紅光磊晶 膜即可產生三波長之白光 LED 元件，用以降低生產成本。本研究之全固態白光 LED 元件 之製作，先將兩藍兩綠 40 mil 之 LED 晶粒封入高導熱之基座，搭配上 AlGaInP 磊晶膜其 開孔與色座標之關係如表 3-7，由表可以發現兩藍兩綠 LED 搭配 10% 開孔之磊晶膜其色 座標坐落在白光之位置上(x = 0.338, y = 0.335)。圖 3-28 為此全固態白光 LED 元件在不同 電流下之激發頻譜，其電流-輸出強度、電流-發光效率曲線圖如圖 3-29 所示，其光場分佈 如圖 3-30，發散角介於 115° ~119° 之間。我們比較兩種不同白光元件，使用全固態白光元 件之效率與輸出功率較螢光粉白光元件差，期望以後能有更適合之光激發磊晶膜來配合加 以改善。
圖3-21、藍光激發不同開孔率磊晶 膜之激發頻譜圖
圖 3-22、綠光激發不同開孔率磊晶 膜之激發頻譜圖
表3-3、藍光搭配不同開孔率磊晶膜 之色座標
表3-4、綠光搭配不同開孔率磊晶膜 之色座標
表3-5、原始白光LED 之色座標 表 3-6、白光 LED 搭配不同開孔率 磊晶膜之色座標
圖3-23、原始白光LED 激發光譜 圖 3-24、螢光粉白光之電流-輸出強 度、電流-發光效率圖
圖3-25、白光LED 搭配30%磊晶膜之 激發頻譜
圖 3-26、白光 LED 元件之電流-輸 出強度、電流-發光效率圖
圖3-27、白光LED 元件在不同電流 下之光場分佈圖
圖 3-28、全固態白光 LED 元件之激 發頻譜
子計劃四
(1) 285nm UV LED
本計畫係使用 Aixtron 200 MOVPE 系統來磊晶成長 285 nm UV LED 之結構，該磊晶結 構如圖 4-1 所示，表 4-1 並顯示其成長時序表。首先在氧化鋁基板(Al2O3)上成長一層厚度 25nm 低溫(560 ℃ ) 成長之 GaN 凝核層(Nucleation layer)，隨即成長一層厚度為 2μm 之高溫(1150℃)矽摻雜 N 型 GaN 磊晶層，為避免 AlGaN 電障層與 n-GaN 之間所產生的介 面效應來影響單層量子井的狀況，因此在單層量子井與 n-GaN 之間成長一層厚度為 500nm 之高溫(1150℃)矽摻雜 N 型 Al0.4Ga0.6N 磊晶層，而單層量子井(SQW) 部分係採用 Al0.32Ga0.68N/Al0.4Ga0.6N 結 構 ， 其 中 量 子 井 (well) 部 分 為 3nm 厚 度 之 Al0.32Ga0.68N，而電障層(barrier)部分則採用 10nm 厚度之 Al0.4Ga0.6N 材料，接著使 用鎂摻雜之 P 型 Al0.4Ga0.6N 作為載子侷限層(cladding layer)，最後使用 P 型 GaN 作 為電極接觸層，其濃度約為 1x1018cm-3；接著我們使用感應耦合電漿(ICP)乾式蝕刻技術 將元件平台(Mesa)(約蝕刻 3.5μm 深度)及 N 型區域(約蝕刻 0.8μm)露出，而元件尺寸大 小 為 300x300 μ m2 ， P 型 及 N 型 接 觸 電 極 材 料 則 分 別 使 用 Ni/Au(3nm/7nm) 及 Ti/Al(20nm/60nm)以獲得良好的歐姆電極接觸特性。
表3-7、2G2B LED 搭配不同開孔率磊晶膜之色座標
圖3-29、全固態白光LED 元件之電 流-輸出強度、電流-發光效率圖
圖 3-30、全固態白光 LED 元件在不 同電流下之光場分佈圖
所示，結果發現分別在 50mA、100mA 及 150mA 電流驅動下，其 LED EL 發光波長均在 285nm 附近為強度最強，而且，峰值波長位置比較不受驅動電流增加的影響，也比較不會產生紅 移(red-shift)或藍移(blue-shift)現象。當然我們也量測其發光功率(Output power)的特 性，在 50mA 電流驅動下，其發光功率約為 0.01mW，但在 400mA 脈衝電流驅動之下，其發 光功率可達到 0.12mW，這是我們首先嘗試成長的 285nm UV LED，應該也是國內產學界第一 次成長此種超短波長 LED，雖然發光功率並不算大，但是總算是跨出了第一步，這種 285nm 至 270nm UV LED 可配合現有水銀燈管之螢光粉來實現白光 LED 照明而完全規避日亞化學 的 YAG 螢光粉專利，對於白光照明的意義相當重大，因此未來必須對 280nm UVLED 更進一 步的研究與探討，也必須仰賴國科會在研究經費方面的大力支持。
(2) AlInGaN MSM UV photodetector
本計畫係使用 Nippon Sanso SR2000MOCVD 系統來磊晶成長 AlInGaN 磊晶層材料，研 究 此 四 元 化 合 物 的 材 料 與 光 電 特 性 ， 並 將 其 應 用 於 金 屬 - 半 導 體 - 金 屬 (Metal-Semiconductor-Metal，MSM) 紫外光檢測器(Photodetector)，該元件磊晶結構如
表4-1 Al0.4Ga0.6N/Al0.32Ga0.68N SQW UV LED元件之磊晶成長表
圖4-1 Al0.4Ga0.6N/Al0.32Ga0.68N SQW 285nm UV LED 元件之結構
圖 4-2 285nm UV LED 在不同電流 驅動之下電激發光光譜(EL)分 析圖.
圖 4-3 所示。首先在氧化鋁基板(Al2O3)上成長一層厚度 30nm 低溫(500℃)成長之 GaN 凝 核層(Nucleation layer)，隨即成長一層厚度為 2μm 之高溫(1130℃)未摻雜 GaN 磊晶層，
最後成長一層厚度為 200nm 之高溫(850 ℃ ) 未摻雜 Al0.25In0.04Ga0.71N 磊晶層。然後 我們採取如圖 4-3 所示之元件指叉狀幾何設計，其中指叉長度(finger length)為 150μm，
指叉寬度(finger width) 為 5 μm，而指叉間距(finger spacing)為 5μm。元件之接觸電 極材料則使用 Ni/Au(15nm/50nm) 作為電極接觸墊(pad) 及 Ni/Au(2.5nm/5nm) 作為透明 電極接觸層(Transparent Contact Layer，TCL)以獲得良好的蕭特基(Schottky)電極接觸 特性。
圖 4-4 所示為此 Al0.25In0.04Ga0.71N 四元磊晶化合物之二次離子質譜儀(SIMS)分析 圖，我們可以發現 I 銦(In)含量是相當低的，這是因為我們的成長溫度為 850℃，相對於 InGaN 成長溫度而言 850℃算是比較高的成長溫度，因此銦原子較不易摻入此化合物中，所 以在高鋁含量的情形下，此四元材料與 GaN 之間之晶格常數不匹配情形也隨之存在，但相 較於未摻入 In 之 AlGaN 層材料而言，晶格不匹配所造成的晶格缺陷(defect)與差排密度 (dislocation)已經大幅降低很多了。
為了獲得良好的蕭特基(Schottky)電極接觸特性，我們將 AlInGaN MSM 光檢測器送進 高溫爐中在氧氣環境下進行不同溫度的回火處理，而圖 4-5 為 Al0.25In0.04Ga0.71N MSM UV 光檢測器之暗電流(dark current)I-V 特性，我們可以發現未回火處理之光檢測器其暗電 流相當大的，在 5V 偏壓時，其暗電流約為 3.39μA，此較大之暗電流有可能是因為材料品 質較不好所形成的漏電流。當我們對樣品進行不同溫度的熱回火處理後，其暗電流有下降 的趨勢，這是由於 Ni/Au 金屬與 AlInGaN 半導體界面間因為熱回火而形成 NiO 化合物，
此 NiO 化合物是為一種 P 型的半導體材料可有助於蕭特基電極接觸特性，因此使得元件暗 電流減少。而圖 4-6 為 Al0.25In0.04Ga0.71N MSM UV 光檢測器之光電流(Photocurrent)I-V 特性，也因為適當溫度的熱回火處理，使得元件光電流因此而增加，一般認為此 NiO 化合 物是為一種 P 型的半導體材料，且較為透明，因此光較易穿透此材料，進而使得元件光電 流 變 大 ， 而 由 光 電 流 與 暗 電 流 之 比 值 可 得 到 約 為 2 10 5 × 。 而 圖 4-7 則 為 Al0.25In0.04Ga0.71N MSM UV 光檢測器之光響應度(responsivity)特性圖，其中當偏壓為 1V 時，Al0.25In0.04Ga0.71N MSM UV 光檢測器之檢測截止波長約為 300nm 左右，若定義 抗斥比(rejection ratio)為光響應度在 300nm 與 330nm 之比值，則此元件之抗斥比可達 到 4.23×103 ，另外在 550℃溫度下熱回火處理的 Al0.25In0.04Ga0.71N MSM UV 光檢測器 之元件特性為最佳。
圖4-3 AlInGaN MSM photodetector 之結構圖與元件幾何設計
(3) 白光 LED 之專題實作應用
近年隨著液晶顯示器製造技術的提昇，在大尺寸及低價格的趨勢下，背光模組在考量 輕量化、薄型化、低耗電、高亮度及降低成本的市場要求，為保持在未來市場的競爭力，
開發與設計新型的背光模組及射出成型的新製作技術，是努力的方向及重要課題。這次實 驗利用高亮度白光 LED，製作側邊發光模組，進而代替原本的 CCFL 發光模組，來進行比較。
如圖 4-8(a)所示為傳統發光模組為 CCFL 背光式與 LED 側光型背光源之實體比較圖，如圖 4-8(b)所示就是將發光方式改為白光 LED 側光型，來取代原本的發光模組。放上導光板，
測試其亮度，測試時發現，裁切面因切割過後表面產生刮痕沒有辦法像原本出廠時的透明，
多少減少了 LED 的發光亮度，如果能有效將表面處理更加透明，發光亮度還能增加。圖 4-9 所示為背光模組組裝完成後之實際測試圖片，圖 4-9(a)為傳統ＣＣＦＬ背光源模組，而圖 4-9(b)為新型白光ＬＥＤ側光型背光源模組。對於 LED 背光模組與 CCFL 背光模組的發光 亮度之比較，在測試亮度上，以照度計分別來量測兩者不加入 LCD 面板背後與加入 LCD 面 板背後的發光亮度。進一步計算發光衰減效率。在測試後就可以得到，CCFL 背光模組加入 LCD 面板後，發光亮度衰減最多，衰減達到約 3.56%。而對於 LED 背光模組而言其發光亮 度衰減最少，衰減只有約 2.68%。
圖4-4 Al0.25In0.04Ga0.72N 四元 化合物之二次離子質譜儀(SIMS)分 析圖.
圖 4-5 Al0.25In0.04Ga0.72N MSM UV photodetectors 之暗電流 (Dark current)特性圖.
圖4-6 Al0.25In0.04Ga0.72N MSM UV photodetectors 之光電流
(Photocurrent)特性圖.
圖4-7 Al0.25In0.04Ga0.72N MSM UV photodetectors 之光響應
(Responsivity) 特性圖.
圖 4-10 為可應用於 7 吋 LCD(液晶顯示器)之白光 LED 面光源型背光源模組之實際點 亮測試照片。使用約 120 顆表面粘著型(SMD)發光二極體(LED)，其成品厚度僅 0.4cm，而 亮度可達到約 20 Lux。圖 4-11 為使用白光 LED 面光源型模組作為背光源顯示的情形，經 過模組組裝後，使用 LED 作為背光源之 LCD 顯示器不但可以正常操作，圖 4-12 為使用白 光 LED 面光源型模組與傳統 CCFL 模組作為背光源顯示的情形，由圖可看出使用 LED 作為 背光源後，其 LCD 的亮度與色彩均勻度及飽和度也絲毫不遜色。另外，本計畫亦設計新型 白光 LED 照明的燈板技術，此專題是以市電交流 110V 作為電源供應，成品體積小、重量 輕，LED 更換要方便等功能。以 9V 電池作為備用電源供應，以便停電時可繼續使用，以 三段開關來切換用交流電源、直流電源或是關掉電源。圖 4-13 所示為新型白光 LED 照明 的燈板技術之硬體方塊圖。為了讓此照明燈具設備，更能長久穩定地使用，應該所具備以 下功能：
(1) AC∕DC 轉換（Converter）：利用『電子電壓器』，將交流信號轉流成直流，經保 護電路及穩壓電路，產生 LED 所需之直流電流和電壓及所有線路工作所需的電壓。
(2) 斷電時仍能繼續使用：利用『三段式切換開關』，能使交流電源如斷電不能使用時，
切換至由 9V 電池所提供的直流電源，繼續供給電源，能使燈具能夠繼續照明使用。
(3) 良好的散熱環境：其『LED 燈板』技術設計時，應仔細評估各 LED 間的距離，因 為此 LED 燈板是照明不單單只是顯示，使用的正是大電流並且長時間的使用，沒有良
好的散熱環境，會大大縮短整個電路的壽命時間。
(4) 良好的聚光、均勻度環境：在『LED 燈板』技術設計時，諷刺的，各 LED 間的距 離不是越大越好，重要的是如何將 LED 的光源聚集，不發散，光源使它只單單向前來發射。
而均勻度就更難掌握了，如何讓發出的光，照在平面上，而平面上的各點，各位置亮度都 一樣呢？這可是不容易的事啊。
(5) LED 如有損壞，能方便更換：在『LED 燈板』技術設計時，LED 或許會有燒毀的 情況，而利用排針插槽，能夠使得 LED 如有損壞，方便更換。依照前述功能與設計的要求，
圖 4-14 所示為本計畫所研製之新型白光 LED 照明的燈具實體照片圖。本專題已成功設計 並作出 LED 圓形燈板，配合其燈具，能發揮出最大發光效率，其亮度與均勻度都在許可範 圍內。由於燈板其亮度跟 LED 個數成正比，但為了配合燈具內之變壓器輸出直流電壓關係，
所以 LED 個數固定為九顆。經我們在暗室裡測試鑑定後，發覺以圓形排列設計較能發揮其 均勻性，而發光效率及 LED 個數之成本考量也是為圓形排列較為理想設計。目前白光 LED 發光效率為 15~20 流明/瓦，使用壽命約 8 年。預定 3~5 年後，將可達 40 流明/瓦，提昇 光電與照明產業之市場競爭力。應用於照明較現行光源壽命提高 5 倍以上，可充分解決廢 棄 燈 管 之 含 汞 環 保 問 題 ， 故 白 光 LED 為 一 無 污 染 之 環 保 光 源 。 增 亮 膜 (Brightness Enhancement Film ，BEF)，又俗稱為稜鏡片，目前卻相當缺乏其相關研究及討論。原因無 它，BEF 的專利權掌控於－美商 3M，他獨攬高達全球 80％市場佔有率。所以希望藉由這次 的專題研究及探討，加上與實際 LCD MODEL 組立測試，並搭配光學模擬軟體－ASAP，做實 際與模擬比較。希望未來能夠對那些想投入光學相關產業的人才，在尋找相關論文研究會 有所幫助。
本研究的主要目的是在探討 LCD MODEL 與增亮膜（BEF、稜鏡片）之間應用與增益關係。
利用 ASAP 光學模擬軟體，模擬與實際產品相當接近的數據。並且實地的組裝 LCDMODEL，
如圖 4-15 所示為增加高亮度增亮膜於 LCD 模組其透光強度的增率特性，因此可得到結論
（BEF、稜鏡片）的增加，著實使得背光模組的效率增加約為 120%。DBEF+BEF 的應用使得 光的效率再度明顯提昇約 40%，相對的視角的輝度也很明顯的增加。如圖 4-16 所示為不同 高亮度增亮膜應用於 LCD 顯示器的實際照片，圖中左半部分為未使用高亮度增亮膜的顯示 情形，右半部分為使用 DBEF、DBEF-1 及 DBEF-2 高亮度增亮膜的顯示情形，由圖可看出右 半部分的顯示亮度明顯高於左半部分未使用高亮度增亮膜的情形，因此，在不增加燈管的 情況下，及加大燈管的功率下，使用光學增亮膜來提高 LCD 的亮度。由於光學增亮膜有著 輕、薄、平整、均勻的光學物性，而且可依照產品大小進行切裁，不但可以降低模組厚度，
也減低溫度及能量損耗，並加長電池及 CCFL 或白光 LED 的壽命。
圖4-8 (a)傳統冷陰極射線管(CCFL)背光模組與白光LED側光型背光模組之 比較。(b) 白光LED側光型背光模組加上導光板之實際測試照片。
圖 4-10 可應用於 7 吋 LCD 之白光 LED 面光型背光模組之實際測試 照片。
(a) (b)
(b) (a)
圖4-9 4吋LCD顯示器加入(a)傳統冷陰極射線管(CCFL)背光模組與(b)白光 LED側光型背光模組之實際測試照片。
圖 4-11 使用白光 LED 面光型模組作 為背光源之顯示情形。
圖4-12使用白光LED面光型模組與傳統CCFL作為背光源之顯示比較情形。
圖 4-15 可應用於 LCD 模組之高亮 度增亮膜之透光強度特性。
(a) (b)
圖 4-16 不同材料之高亮度增亮膜應 用於 LCD 模組之實際照片。
圖 4-13 新型照明用白光 LED 燈板 技術之硬體方塊圖。
圖 4-14 本計畫所研製之新型照明 用白光 LED 燈板技術之實體照 片。
