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薄膜轉移 奇光異彩

當世界不斷尋求更輕薄、省電的3C應用產品時,科學家也致力於研發更先進的磊晶膜分離技術及氮化鎵基板轉移技術, LED燈半導體晶圓像春捲皮一樣從基板「撕」下來,經過化學清洗後,亦可重複使用,大幅降低了製作成本,透過此技術產出的LED燈裁切後,也可應用於太陽板,突破傳統僵化的架設規則,甚至可直接架設於建築大樓玻璃帷幕,實現城市自主發電的夢想。
 
 

「有點暗,開燈吧!」按個開關,彈指之間,我們便可在陰暗處獲得光亮,這在2019年的日常生活是件非常稀鬆平常的事;但是,您知道嗎?在150年前,人們於夜晚時,只能依靠味道濃重的蠟燭與煤油來提供照明。燈光,即人造光,1854年,亨利.戈培爾使用一根炭化的竹絲,放在真空的玻璃瓶下通電發光;再至1879年,湯瑪士.愛迪生改良出鎢絲燈光,即是我們至今時常可見的燈泡原型,這種燈泡稱之為白熾燈,目前由於此燈泡太耗電,已在幾年前開始被禁用。燈泡的問世,從此改變人類的生活模式。數百年來,隨著科技演進,人造燈的發展模式,不再僅限於傳統的並聯電路、保險絲、絕緣物質、銅線網等材料,再加上節能環保的意識深入民間,白熾燈與螢光燈等耗能產品,逐漸地不再是民眾選購的首選了,取而代之的,是目前各國政府,不斷努力普及化的節能發光二極體(LED)燈。

 

發光二極體(Light-Emitting Diode,簡稱:LED),是透過化合物半導體製作而成的「半導體電子元件」來發光,與傳統燈泡完全不同。其實LED燈的電子元件,早在1962年就出現,LED燈在演色性(物件在某光源照射下顯示之顏色與其在參照光源(通常為太陽自然光)照射下之顏色兩者之相對差異)目前已優於鹵素燈與白熾燈的指數,此外又因為它的體積小、純色光、波長選擇多、壽命以及省電,讓學界與業界無不關注能源危機的議題,更使得LED燈的話題於短短50年內不斷地衝出高峰,從實驗室跳脫,進而商品化,從室內照明、室外光源、實驗儀器、手機和電腦屏幕等,再至農漁牧、醫療、醫美及光療應用,皆可看到LED燈的身影。

 

LED燈的發光原理,是利用電能直接轉化為光能。科學家在整塊發光半導體元件內,先製作擁有正極(P)與負極(N)特性的材料,而這個材料主體是由元素週期表中的III(3A)族硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)與V(5A)族中的氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)所合成的化合物半導體,而且將這個化合物半導體加入雜質製作成p型區與N型區,然後在這個發光元件的兩極端子施加極小電流的順向電壓,p型區接正電壓注入電洞,N極接負電壓注入電子,電子由N區流向P區,電洞則由P區流向N區,便在PN接面結合處附近以光的形式釋出;不同材料的兩極體內電子、電洞所釋出的能量不同,光能量發出不同波長的光,因此,人眼接收後,便可看到LED燈展現不同的顏色。

 

一直以來,科學家們不斷在導電層(NP區)與發光層(隙區)下功夫,研究不同化學合成物與不同電壓所產生出的色光和亮度的關係,例如:晶粒外型、晶片黏貼、元件內的表面粗糙度以及覆晶封裝等,皆會影響元件的光萃取率——光萃取率的高低會影響生產出的LED燈的亮度、演色性、發光功率等,更進而影響該LED燈的特性與應用,這些精細複雜的製程與材料成分都是環環相扣的。

 

除此之外,LED晶圓製作過程時的磊晶(晶圓生長)技術、晶圓製作時的襯底材料,也會影響LED燈半導體製作成品時的成效——襯底材料,又稱為基板,好的基板可以讓LED燈的半導體磊晶「成長」好一點,否則無法讓LED燈的特性完全發揮,例如:紅光LED材料的基板,通常為砷化鎵(GaAs),可是砷化鎵會吸收紅光,且散熱不良,導致紅光LED效率不高,藍綠光LDE材料,最普遍採用的基板是藍寶石(Sapphire),可是藍寶石是電和熱的絕緣體,一樣限制藍光和綠光LED燈的特性和應用;儘管如此,這些基板卻是現今研發出製程功效尚佳的材料。近期,穿戴式的科技產品日新月異,智慧型手機、智慧看板、智慧互動式廣告推陳出新,讓科學家極力研發更輕便的半導體元件以應市場對於薄、輕、彈性、效能、多元使用等供應需求,昔日的LED燈礙於上述的基板特性,通常只能量產為傳統水平式的結構,現在,磊晶膜分離技術氮化鎵基板轉移技術,使得LED燈半導體晶圓可透過這兩項技術,讓材料可以像春捲皮一樣從烤盤撕下來,使半導體晶圓元件獨立、製作效率高、還可提升光電轉換的效率,製成彈性好應用的可撓式的光電元件,適合應用於可捲曲、折疊式、環繞式等顯示器或電子看板,而被留下來的基板,經過化學清洗後,亦可重複使用,進行新的磊晶製程,大幅降低了製作成本。

 
這兩項新技術突破,不只可應用於LED燈的製程,也可應用於太陽能板的半導體晶圓電池製作。綠電節能、種電減碳,取代化石燃料,減緩環境破壞,已是全球趨勢,可撓式的光電元件製作出的新型態映像化薄膜太陽電池,突破傳統太陽能板安裝的傳統僵化規則,還可大量生產,加速開發綠電能源效益,廣泛的運用在建築大樓玻璃帷幕、廣告帷幕,裁切後使用在行動電源等等3C產品上,節能發電也兼具美觀效能,使太陽能源不僅可應用在發電廠、工廠、學校、養殖場與農場等,亦有機會促成一般住宅自主發電的夢想。
 
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監製:科技部
策展:交通大學光電科學與工程學系 特聘教授 洪瑞華
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交通大學光電科學與工程學系 特聘教授 洪瑞華

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