在世界上近十年来，LED发光二极体发展极为迅速，尤其是为了踏入照明领域，LED上游厂商及各学术单位均不遗余力的研发高亮度LED晶粒，随着LED亮度增加，从以前只能用于指示及室内显示而延伸到户外警示灯、交通路志灯及各种显示看板。

材质与制程突破

氮化镓材质的不断提升，不仅弥补了以前Gap及InGaAIP系列材料的亮度不足，更使得在可见光领域里高亮度LED的生产成为可能，也因此使照明应用的研发极具吸引力。

二六族材料的应用

LED高亮度的发展除了从材质上着手以外，还有从大晶粒、发光效率的开发，以及如何提高LED的驱动电流来得到高亮度，以前AIGaAs和InGaAIP LED Chip亮度提高很快，然而这两种材质的活性层能带结构限制了只能用于长波长的可见光发光二极体，所以为了得到蓝光和蓝绿光发光二极体，而采用了二六族材料或InGaN材料，在应用领域中，这类元件窜起极为迅速，而二六族材料有较软的缺陷，使得氮化镓基材料成为制作紫光、蓝光、绿光等发光二极体元件的唯一可用材料。 (图一)

《图一 传统光源与LED光源的演进》

LED应用现况

目前已经可以做出高功率、高亮度氮化镓基蓝、绿光晶料，因而可应用于汽车警示灯、交通号志灯、全彩大屏萤幕显示器等以前LED晶粒所无法达到的应用领域，这种氮化镓基晶粒的制造应归功于MOCVD制程的研发，在氮化镓MOCVD技术领域，金属有机物是典型的三甲基镓(TM Ga)三甲基铟(TMIn)和三甲基铝(TMAl)，携带气体是氮气或氢气，对于生长InGan来说，氮气是首要选择的携带气体，因为氢气减少铟的掺入。 (图二)

《图二 MOCVD的内部组织》

光蚀刻方法

《图三 电极均在顶面的异质活性层组件》

如(图三)所示，这是一种两个电极都在顶面的异质活性层元件，它会将两电极做在上面主要是基层(Substrate)材质Sapphire是绝缘的，因此比传统的单电极在顶的异质活性层元件的制作流程更为困难，一般的制作流程是在Gan上蒸一层NiAu，应用一般的光蚀刻方法，将金属层刻成单个元件。

NiAu层材质

NiAu层的厚度很薄，这层金属层必需有三种材质堆叠起来：第一，金属层必需掺入Mg的Gan层而形成良好的阻抗接触；其次是这金属层必须很薄，以便使发光处是透明或半透明状；第三，金属层还必须有足够的厚度，以便使电能得以扩展，并且使电流能均匀注入有台阶的活性层内，这些要求都需要在金属层的厚度上形成配对条件，最近国外的报导还有使用比NiAu更透明的NiOx层或PtRu层，以获得更透明的金属层。

高亮度LED电流驱动

LED发光二极体的半导体材质当电流导通时，活性层温度会上升到摄氏150度左右，而且LED半导体还有一特性是随着温度上升，亮度反而下降，所以为了得到高亮度，也可以使用大电流驱动，但是大电流驱动的情况下，晶粒温度上升则是不能避免的，因此将这些影响亮度的高热导出将是一个值得探讨的课题。

《图四 驱动电流与LED亮度关系》

低温高亮度的LED

Lumileds研发了一种高散热性元件(图四)，将晶粒Bonding在具有高导热效果的铜质基材上，此基材直接座落在散热片上，当大电流驱动LED使发亮时，所产生的热就可经由散热片导出，晶粒将维持某一较低温度，使得LED的亮度一直维持在高亮度情况下，而不会因温度的上升使亮度减少。

高功率大晶粒的LED目前以Lumileds的产品为最具代表性，最大驱动电流可达1A，一般使用驱动电流在400MA~500MA，输出光量可达181m/w，最大可达30 1m/w，晶粒制作尺寸在1mm×1mm。

应用效益

这种做法的好处是可以得到较高的亮度，而且体积可缩减到最小，光点集中，有利于光学设计，一般为了得到较高的光源，有时会使用LED矩阵，但因用LED矩阵会使面积变大，占据较大空间，因而丧失了发光二极体体积小的特点，而且使用LED矩阵将会用到一些驱动电路，使得零配件增多，成本提高。但大晶粒使用大电流将使晶粒温度大幅升高，因此在使用设计上对基材的散热考虑变得十分重要。

TOYODA GOSEI在去年日本电子展曾展出只用19颗大晶粒所做出的交通号志灯，Agilent也有用大晶粒发光二极体做出的交通号志灯，比起传统的交通号志灯使用200个~300个5mmLED组装，在材料使用及控制电路上节省了相当多的材料，伴随而来的是组装的人工成本也大幅降低，因此大晶粒发光二极体在高亮度使用上具有一定的空间。

TIP LED提高发光效率

传统发光二极体的晶粒结构使得发光效率只有15%，所以如何提高发光效率也是中游厂商所要考虑的，HP首先将四元材质晶粒作成TIP LED，将内部光源反射出来，其发光效率竟可提高55%，最近美国CREE公司也有将晶粒作成类似的形状。

这种形状上的改变也将原本高亮度的GaN LED在提高了32﹪的亮度，因这形状上的设计有PATENT的问题，因此在国内研究机构及制造厂商对这方面的研发还比较缺乏。

发光二极体的发展

传统的白炽灯在应用上无法克服耗电量大、寿命短的缺点，在显示资讯上的应用，如霓虹灯、平面招牌看板等，虽然有色彩鲜艳的效果，但只能单调显示及简单图文变化，处于现今21世纪要传递的讯息渐渐复杂化、灵活化，一般的看板、霓虹灯已不敷需求，因此对于新材料的开发日益变成为人类的迫切性，因而发光二极体就变成近代新宠儿。

应用优势

近几年随着微电子技术、自动化技术及计算机技术的突飞猛进，使LED显示器的应用得到长足的发展，1993年后超高亮蓝光、红光、绿光LED的出现，使LED得以实现全彩显示器，并且将LED显示从室内扩展到室外，特别在体育场、广告的显示多元化，更得到人们的喜爱。

LED受空间限制小，具有全彩效果、视角大的优成，而且坚固耐用、寿命长、稳定性高、耗电量小、重量轻，可显示大量资讯。所以LED显示器是在应用上的最佳选择，在将来也势必为社会经济发展中扮演越来越重要的角色。

另一个LED应用的重要性是用在照明上，近2~3年来借着高亮度、高效率蓝光LED的开发量产及YAG烛光粉技术应用造就了白光LED的出现，因而让LED的应用层面更往前推进一步，白光LED比传统白炽灯发光效率高一倍且寿命更长达10倍​​。

环保概念具足

在地球资源有限及环保观念下，更使得人类对LED更加重视，据统计，台湾假如有25%白炽灯和100%日光灯被白光LED取代，将可省下一座核能电厂的发电量，这在一切资源靠国外进口的台湾，将是一个福音，相对的就可减少辐射源的产生及火力发电厂原油使用量，对温室效应的防止、地球绿化的环境有极大的贡献。

结语

LED用于照明除了发光效率高、寿命长的优点，还有低耗电量(约为白炽灯泡的八分之一，日光灯的二分之一)、低发热量、光色纯、高防震性、易搬运、不易碎、安全无污染、小型化、可做成各式形状，目前应用面极广，例如：室内特殊照明、手电筒、闪光灯、装饰灯、液晶显示器及携带式电子产品(PDA、行动电话)等的背光，汽车或船笑的室内阅读照明、车灯、沉车驾驶面板照明彩色化，由于白光LED在2010年发光效率将可达到120lm/w，在成本不断下降及大量生产下，长期而言，在未来将可取代目前的白炽灯泡及日光灯。

总而言之，高亮度LED的时代已来临，尤其是近来GaN发光二极体的制作流程已十分成熟，这主要还是取决于MOCVD生长磊晶的制程突破以及MOCVD材料的处理，业界经过许多的挑战和克服困难，才可以成功地制作高功率、高亮度的蓝色、绿色等短波长的LED发光二极体。在未来，对氮化物元件的探索，还有许多地方需要改进，其中要有更好的光补出，较低的正向电压以及较高的抗静电效果。 (本文作者为今台电子研发部协理)