發光二極體：認識發光二極體
98/03/04
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潘錫明｜
璨圓光電研發處
我對著同事吆喝著：「你節能環保了嗎？」同事微笑著點點頭，指著腳下踩的腳踏車回答我：「當然，我身體力行呢！」我倆相視而笑，一起踏入公司。進了辦公室，望著桌上新買的 LED 檯燈。同事笑著對我說：「看吧，我節能是不是做的很徹底呢？」我看著他滿意的表情，也跟著開懷大笑起來。
發光二極體這個逐漸被重視的產業，已讓臺灣多了一個 LED 王國的稱號。2007 年我國發光二極體產值是 539 億新臺幣，占全球 LED 產業的 27％，且比率仍在逐年提升中。這個讓臺灣揚眉吐氣的產品，到底是何方神聖？為什麼能夠環保節能，還能帶給我們豐富的色彩？舉凡行動電話、液晶顯示器面板、交通號誌，甚至是生活居家用品，到處都有它的足跡，它的優勢到底是什麼？又為何如此地吸引人？
何謂發光二極體
一個典型的發光二極體，包含晶粒、封裝體、金線、支架等，主要發光的部分則是封裝體裡面的晶粒。封裝體的主要成分是環氧樹酯，用來固定支架，且可以把封裝體的頂端製成可聚光的透鏡，以控制LED的發光角度。金線是把電流由支架導入發光晶粒，聚光碗杯則是把 LED 發出的光線反射至上方出光，以增加發光效率。隨著應用的不同，封裝體可以任意改變成為不同的型態。
一顆 LED 的主要發光源是晶粒，而晶粒依材料不同會發出不同波長，也就是不同顏色的光。可見光的波長範圍從 400 奈米到 700 奈米，依序是紫、靛、藍、綠、黃、橙、紅。以氮化鎵 LED 為例，它可以發出藍光或綠光，鋁銦鎵磷 LED 則可以發出紅光、綠光或黃光。諸如此類，可以利用材料的選擇製作出不同色光的發光二極體。
LED 的發光原理
LED 是利用電能轉化為光能的方式發光。發光二極體晶粒的組成材料是半導體，其中含有帶正電的電洞比率較高的稱為Ｐ型半導體，含有帶負電的電子比率較高的稱為Ｎ型半導體。Ｐ型半導體與Ｎ型半導體相接處的接面稱作 PN 接面。在發光二極體的正負極兩端施予電壓，當電流通過時，會使得電子與電洞結合，結合的能量便以光的形式發出，依使用材料的能階高低決定發光的波長，因此就會發出不同顏色的光。
大多數的發光二極體歸類於三五族半導體，因為它們的組成元素屬於周期表中的三族及五族，三族元素如鋁、鎵、銦等，五族元素如砷、氮、磷等。磷化鎵與鋁砷化鎵，因為亮度低，開發時間早，且內含 2 種或 3 種元素，多稱為傳統二元或三元 LED。而鋁銦鎵磷因發光亮度較高，且由 4 種元素組成，多稱為四元 LED。氮化鎵材料則因為可以發出以上材料不能發出的藍光，一般另稱為氮化物LED。
LED的製作方法
發光二極體主要由晶粒發光，在此以氮化鎵 LED 為例，簡介其中晶粒的製作方法。
發光二極體是半導體材料，需要先進行磊晶成長，也就是在基板上成長Ｐ型及Ｎ型半導體。氮化鎵 LED 多成長在藍寶石基板上，成長的方法以有機金屬化學氣相沉積法（metal organic chemical－vapor deposition, MOCVD）為大宗。
MOCVD 是用來沉積出薄膜的技術，這薄膜可能是介電材料（絕緣體）、導體或半導體。在進行化學氣相沉積時，把含有被沉積材料的氣體，導入受到嚴密控制的反應室內。當這些氣體在受熱的基板表面上起化學反應時，會在基板表面產生一層固態薄膜。
成長完氮化鎵磊晶片後，需要進行晶粒製程，把磊晶片製成一顆顆的發光二極體晶粒供下游封裝。
晶粒製程可分為電極製作的前段製程，以及把磊晶片分割為獨立晶粒的後段製程兩部分。前段製程包含許多黃光、蒸鍍、蝕刻、剝離等製程，因此需要在無塵室等級的環境下製作。而後段製程需要避免製作過程中的靜電損傷元件，因此特別注重靜電防護的問題。
氮化鎵 LED 使用的基板材料是藍寶石，因為藍寶石不導電，無法在上面製作電極，必須利用較複雜的技巧把正負兩電極製作在同一平面上，使得製程較為繁雜。一般做法是使用乾式蝕刻機把表面的Ｐ型半導體部分區域挖除，露出底下的Ｎ型半導體，再在Ｐ及Ｎ 型半導體上製作電極，使得電流可以導通而發光。
發光二極體的優點
發光二極體的發光型態屬於冷光，是利用電子電洞對復合發光，不像傳統燈泡需要把燈絲加溫到很高的溫度而發光，因此不會有太多的能源消耗，可達到節能的目的。而且因為發光機制的不同，使用壽命遠較傳統光源長（約 10 萬小時），所以在許多維修不易且需要光源的地方，LED 是很好的選擇。
在應用上，發光二極體體積自由度大， 最小的封裝體可以小至數個立方毫米，能夠配合應用端設計出適當的尺寸，這是傳統光源所不及的。此外，發光顏色純度佳，可以提供良好的單色光源，若搭配紅綠藍三原色，更可以創造全彩的光。反應速度快，可做為訊號傳輸用，也是它的優勢。
白光 LED
使用單純的發光二極體晶粒僅能發出各種顏色的純色光，若要發出白光，則必須利用混光的方式。現今多以顏色的互補原理，利用氮化物 LED 發出藍光，搭配可發出黃光的螢光粉混合出白光。這項做法可以方便地製作出不同色溫的白光 LED。
傳統的照明光源，像是白熾燈泡、日光燈等，雖然普及，但都有不可避免的缺點。例如白熾燈泡雖然價格便宜，製作簡單，但發熱量大，效率差，壽命短，且易破損。日光燈雖較白熾燈泡省電，卻有嚴重的重金屬廢棄物污染的問題，在今日節能減碳的訴求下，兩者已不符需求。相較之下，具有環保省電高效率的白光 LED，便成了一個令人期待的新世紀產物。目前白光發光二極體的效率最高可達近 100 lm/W，已遠超過白熾燈泡的 15 lm/W，與日光燈不相上下，惟製作成本仍較高。
LED的應用現況
發光二極體在這幾年的發展非常迅速，以台灣來說，大至城市精華地段的大型顯示看板、街道上的交通號誌、汽車用第三煞車燈，小至手機開機指示燈、螢幕背光源、以及日常生活中的檯燈、小夜燈等，都已逐漸由 LED 取代傳統光源。
除了以上的應用外，最受期待的莫過於照明市場。根據經濟部工業局的統計，台灣所有的照明用電約占總用電的 16％，若可以全面更換為 LED 燈，大約可節省 50％ 的能源，估計每年可省下 110 億度電，大約是 1 座核能發電廠的年發電量。而且取代日光燈後減少的重金屬污染，也是重要的貢獻。
目前在各大 LED 廠商及研究單位的持續努力下，按照美國能源部的預估，白光發光二極體的發光效率在 2010 年將可達到 120 lm/W，且製造成本有機會與傳統燈具競爭，而開始逐漸取代傳統光源。長遠來說，發光二極體有極大的機會在未來的世代提供人類光明。
節能環保，這個日趨受重視的議題正影響著我們的生活，畢竟人類蹂躪了地球這麼久，也該對這個生存已久的環境帶點愧疚之意。任何對地球有益的事，都應該加速進行。LED 不只是新的光源，也將帶領著地球邁向健康的時代，讓我們期待新的階段，新的光明！
