台湾LED_OLED光电材料与组件技术的发展 (1).doc

第 29卷 第 12期
2010 年 12月
中国材料进展
M ATER IA LS CH INA

V o l 29 N o 12
D ec 2010

台湾 LED /OLED 光电材料与组件技术的发展

陈泽澎, 林晋声
( 晶元 光电股份有 限公司 工 业技术研究 院材料化 工研究所, 台湾 新竹 3 00 59 )

陈泽澎
摘 要 : 台湾 发光二极管 ( L ig h t Em itt ing D iode, L ED ) 的产量已达 到世界第一, 产 值则居世界第二 。
将回顾台 湾发光二极管产 业的发展历史 , 并探讨产业界 及研发单位在发 光二极管效率 提升与质量 改 善方面的一 些重要技术发 展历程。有机电 激发光 ( OL ED ) 组件 的发展 过程, 除了显 示器的 应用发 展 优势之外 , 固态照明也是 台湾近期的研 发重点之一, 文 中将探讨磷光有 机材料、组件 结构技术的 开 发及 O LED 的发展趋 势。
关键词 : 发光 二极管; 磷砷化 镓; 磷化铝镓 铟; 氮化 铝镓铟 ; 液相 磊晶 成长; 有机金 属气 相磊 晶
成长; 有 机电激发光组件
中图分类号: TN 204 文献标识码: A 文章编号: 16 74 - 3 962 ( 20 10 ) 12 - 005 2 - 0 7

Developm ent of LED /OLED PhotoelectricM aterials and
A ssembly Technology in Taiwan

CH EN Zepeng, L IN J insh eng
( M ateria l& C hem ica l Res earch L ab, Indu st rial T echn o logy R es ea rch In st itu te, E p istar C o L td , X in zhu 3 0059, C h in a)

A bs trac :t T a iw an is po s it ion ed as num b er on e in w o rldw id e LED ch ip s su pp ly. T h e sa les reven u e is ran k ing num b e r 2. In th is p ape r, w e h av e rev iew ed th e d eve lopm en t h is tory of T a iw an LED in du s try. S om e o f the im po rtan t techn o log ies d e velop ed by T a iw an LE D ind u st ry an d research o rgan izat ion s th at im p rov ed LE D ef fic ien cy and qu a lity w ere a lso h igh ligh t ed. T h e d ev elopm en t of o rg an ic l igh t em itt in g d iod e in T a iw an w as sh ow n in th e app licat ion s o f d isp lay in du s try p roven to b e s tan d ing in som e ad van tageou s p os it ion. S o lid s tate ligh t ing is a ls o go ing to b e on e of th e k ey areas recen t ly and w i ll b e d iscu ss ed in d eta ils in clud in g ph osp ho res cen t organ ic m ater ials, th e exp lo itat ion o f d ev ice techn o logy and th e d eve lop in g tend en cy of OLE D.
K ey wo rds: l igh t em itt in g d iod e ( LE D ) ; G aA sP; A lG aIn P; A lG aInN; l iq u id ph ase ep itaxy ( LPE ) ; m e ta logran ic vapo r ph as e ep itaxy ( M OVPE ) ; organ ic ligh t em it t ing d iod e( O LED )

1 前 言
自从 1962年美国 G E 公司的 H o lony ak[ 1] 等人开发出 首颗 G aA sP p n接面 ( Junc tion) 红光发光二极体至今, 各 种不同波长的发光 二极管材料陆 续被开发 出来, 目 前 LED 发光光谱已涵盖从紫外线、可见光至红外线。而利 用短波长的紫 外光或蓝光 发光二极体 晶粒与荧光 粉搭 配, 还可以制造出各种颜色的发光二极管, 甚至是白光 发光二极管。发光二极管的发光效率, 在小功率的白光 发光二 极管 方面, 日本 日亚 公司 于 2009 年初 的 SP IE P ho ton ic W est会议已发布达 到 249 lm /W; 而 1 W 的高 功率白光发光二极管, 美国的 C ree公司在 2008年 11 月

收稿日期: 2009 - 1 1- 09
通信作者: 陈泽澎, 男, 1957 年生, 资深顾 问
便已达到 161 lm /W, 从早期小于 0 15 lm /W 的发光效
率, 大幅提升到大于 150 lm /W 以上, LED 发光效率的 改善超过了 1 000倍。而单一颗发光二极管的流明数也 从小 于 1 lm, 增 加 到大 于 1 000 lm, 美 国的 L um inus D ev ices于 2009 年初发表一系列高功率白光发光二极管, 在单一颗大晶粒面积是 9 mm2 , 在 10 W 的输入功率下, 总输出流 明数大于 1 000 lm, 远 超过赫芝定 律 ( H e rtz s L aw )的预期 ( 如图 1) 。而每 lm 的价格也从大于 10美元 下降至低于 0 01美元。由于效率的提升及成本的降低, 使得发光二极管的应用范围更加广泛及多样化, 从早期 的指示应用如电子仪表的指示灯、计算器与手表的数字
显示、到显 示应 用如 LED 电子 显示 屏、交 通信 号灯、 液晶显示器的背光光源, 而进一步开始进入到照明的应 用如汽车头灯、路灯及一般照明。

第 12期 陈泽澎等: 台湾 L ED /O LED 光电材料与组件技术的发展 5 3

图 1 赫芝 定律预测 L ED 流明及价格 的趋势

F ig 1 T end ency o f lum en and p ric e o f LED p red icted by

H ertz law

自从 K odak 公司的邓青云博士在 1987 年发表全球 第 1篇报 导小分子、双层式结构 的有机电 激发光组 件 ( O rg an ic L ight Em itting D iode, O LED ) 的文 章后, 由 于 OL ED 本身具有自发光性、高对比、广视角、高应答速 度和近乎厘米厚度的轻薄等特性, 使 OLED 很快成为众 所瞩目的新型显示器之一。另外, 近年来 O LED 在有机 发光材料与组件技术方面进展迅速, 特别是发光效率已 经可以超越传统的钨丝灯泡, 使得 OL ED 不仅可应用于 显示器, 更可应用于照明 光源, 因此和 L ED 并列 为下 一代的新兴固态照明 ( So lid Sta te L igh ting, SSL ) 。
2 台湾发光二极管产业

LED 产业结 构大致上 可区分为 为上游 的磊芯片 成 长、中游的晶粒制作及下 游的封装。台 湾的 LED 公司 大致上可以分为二类, 一类主要以自行生长磊芯片并使 用自行生长的磊芯片来制作晶粒; 另一类公司则是外购 晶粒 来 进 行 封 装。 与 欧 美 日 的 LED 大 厂 如 德 国 的 O sram、荷兰 P h ilips的 L um ileds、美国的 C ree 以及日本 的日亚从磊芯片、晶粒到封装都在同一家公司内垂直整 合完成有显著的不同。
台湾的发光二极管产业是由下游的封装先开始, 早 在 1972 年德州仪器便在台北县设立了发光二极管封装 生产线, 开启了台湾发光二极管产业的契机。 1975 年, 光宝在中和成立第一座发光二极管工厂, 从封装开始做 起, 为台湾 L ED 产业埋下 第 1 颗种 子。之后 10 年里, 兴华、菱生、佰鸿 与亿 光等 十数 家封 装 厂陆 续成 立,
2008年台湾发光二极体产业 40 多家封装厂的产值已达
400亿台币以上。
当封装产业在台湾刚开始萌芽时, 台湾的万邦电子 也开始跨入发光二极管的晶粒制作, 由日本的住友、三 菱、昭和电工、信越等公司进口磊芯片来制成晶粒。之 后光磊于 1983年成立, 而工研院技术移转的台 湾科技
与鼎元也分别于 1984及 1987年成立, 光磊公司的发光
二极管晶粒产量在 1990 年代甚至达到世界第 1。
在上游的磊芯 片生长方面, 虽然 在 1980 年代工研 院先后 将以 液 相磊 晶 法 ( L iqu id Pha se Ep itaxy ) 成长 的
695 nm 磷化镓红光发光二极管磊晶, 以及将 940 nm 砷 化镓红外线发光二极体磊晶技术移转给两家厂商。与日 商技术差距大 竞争很艰辛, 直到以有机 金属气相 磊晶
( M eta lo rgan ic V apo r P hase Ep itaxy, M OV PE ) 技术成长磷 化铝镓铟发光二极管的技术成熟后, 始让台湾的上游磊 晶产业再现生机。
在 1990年代初期美国的 H P 及日本的东芝才刚上市 磷化铝镓铟红、橙、黄发光二极管不久, 国联光电便于
1993年 9月成立, 成为全世界继美国 H P 及日本的东芝 之后, 第 3家具有以 M OV PE 技术生产磷化铝镓铟发光 二极管的公司。国联光电的磷化铝镓铟发光二极管晶粒
推出后, 很快便 营销至欧洲及日本的 L ED 大厂, 由于 国联光电的成功, 也鼓舞了全新及博达公司的成立, 分 别以 M OV PE 及 M BE 技术来生产异质接面双载子晶体管 ( H e tero junc tion B ipo lar T rans isto r, H BT ) 及假型高速电子
移动 晶体管 ( P seudom orph ic H igh E lec tron M ob ility T ran
sisto r, PH EM T )等高 频 微波 磊芯 片。 之后 晶元 光电 于
1996年成立, 随后又有 十多家公司 陆续成立。目前台 湾的 M OV PE 设备 已超过 400 台, 以 M OV PE 设备 生产 的发光二极管磊芯片产量更是世界最大。
自 1997年开始, 台湾工业技 术研究院 ( ITR I) 首先 开始了 O LED 技术的研究与开发, 接着许多国内厂商也 纷纷加入 开发行 列, 曾经 让 O LED 产业在 台湾引 起风 潮, 但是随着材料、技术与良率迟迟没有显著的进展, 同时制造成本也无法迅速下降, 导致 O LED 在台湾市场 无法开拓成一个新局面。
2006年 10月奇晶光电与奇美电子共同开发出 25 吋 主动式有机电激发光二极管电视面板, 并且于日本横滨 平面显示器展展出, 主要是采用奇美电子最新低温多晶 硅薄膜 晶 体 管 ( L ow T em pera tu re P o ly S ilicon T h in F ilm
T ran sistor, LTP S TFT ) 制程技术, 结合奇晶 光电的有机 电激发光组件技术, 在当时是世界最大 的 AM OLED 显 示器面板。此后日本 SONY 急起直追, 于 2007 年 10月
SONY 公司发表了全世界第 1款可以量产的 11 吋 O LED 的电视, 这也代表着对 O LED 材料寿命存疑的问题得到 了解决。

3 发光二极管技术

台湾的发光二极管产业发展成功的主要因素之一,
是开发出许多发光效率及质量改善的独特技术, 如透明

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导电电极及较低温的芯片接合技术, 这些技术不只改善
了发光二极管的效率及质量, 且由于生产工艺简单, 使 得台湾生产的发光二极管在市场上极具竞争力, 兹将这 一些重要的技术发展历程详述如下。
3 1 量子井 (Q u an tum W e l,l QW )结构
目前高亮度红、橙、黄到 黄绿光 LED 主要是以 磷 化铝镓铟为主, 而紫外光、蓝、绿以及白光则是采用氮 化铝镓铟材料。最早 LED 的 结构是同质 的 p n 接面 结 构, 接着异质 p n接面 结构被采用。异质结 构 ( H e tero struc tu re )是利用能隙小的半导体当作发光层, 又被称为 活性层 ( A c tive L aye r), 被 夹在二边 能隙较 大的半导 体 限制层 ( Con fin ing L aye r) 之间 的一个三明 治结构, 由于 具有二个异质接面, 又被称为双异质结构 ( D oub le H et e ro struc ture) [ 2 ] 如图 2 所示。采用 异质结构 的发光二 极 管, 由于载子被注入发光层后, 电子及电洞结合发光的 效率高, 且产生的 光不会被二 边高能隙的 限制层所 吸 收, 取光效率比较好, 因此, 目前高亮度发光二极管都 采用双异质结构。台湾从工研院开发磷化铝镓铟发光二 极管便导入多重量子井结构, 由于磷化铝镓铟材料随着 铝含量增加, 发光效率显著的降低。利用量子尺寸效应
( Q uantum S ize E ffec ,t Q SE ) 的多重量子井结构 LED, 相 对于双异质结构 LED, 在相同的铝含量下, 可以成长出 较短波长的磷化铝镓铟发光二极管; 或成长相同波长的 LED, 由于铝含量较低, 发光效率会较好。此外, 由于 所有量子井层的厚度加起来比双异质结构的活性层来得 薄, 而通常光子逃离晶粒前会在内部来回反射几次, 较 薄的 活性 层 可以 减 少光 子 被 再吸 收 的 机会。虽 然 在
1990年代初期量子井结构使用 于雷射二极管已经 非常 普遍, 但在发光二 极体的生产 则仍然是采 用双异质 结 构。主要原因是发光二极体价格较低, 必须多片磊芯片 大量生产, 才符合经济效益, 但要在大型的 M OV PE 生 产设备上成长厚度只有几 nm 的薄层, 且厚度均匀性良 好并不容易。国联光电是全世界第 1家生产量子井结构 磷化铝镓铟发光二极管的公司, 目前不论是磷化铝镓铟 或是氮化铝 镓铟 LED, 全世界几 乎所有的 LED 公 司都 是采用多重量子井结构。

图 2 双异质结 构示意图

F ig 2 Sch em a tic d iag ram o f doub le h e te ro stru cture

3 2 氧化铟钖 ( Ind ium T in O x ide, ITO )透明电极
在发光二极 管结构通 常是使用 金属当 作奥姆接 触
( O hm ic Con tact)电极材料, 在传统的发光二极管结构由
于发光层上面的窗户层 (W indow L ayer) 厚度非常厚, 因
此, 最简单的 设计便是奥姆 接触电极的 大小与打 线垫
( W ire Bond ing P ad)相当。当发光二极管顺向偏压 ( F o r w a rd B ias) 后, 电流便经由电极流入窗户层, 并藉由窗 户层将电流横向传导, 然后再均匀分布地流入发光层。 但在高亮度磷化铝镓铟或氮化铝镓铟发光二极管, 由于 采用 M OV PE 来成长磊晶层, 相较于传统的液相磊晶成 长法 ( L iqu id P hase Ep itax y ), 成 长速 度小 了一 个数 量 级。因此, 从生产成本来考虑并不适合将窗户层成长得 太厚, 但窗户层太薄又降低了电流均匀分布的能力。在 磷化铝镓铟发光二极管方面, 美国的 H P 公司便采用气 相磊晶成长法 ( V apo r Pha se Ep itax y) , 成长一约 50 m 厚的磷化镓窗户层, 来改善电流的分布; 日本的东芝公 司则采用一较厚的砷化铝镓窗户层来帮助电流的均匀分 布。另外也可以使用网状或树枝状的电极图案来改善电 流的分布, 但采用树枝状的电极, 虽然解决了电流均匀 分布的问题, 但也带来了金属遮光的问题。为了解决此 一电流拥塞的现象, 而又不会有金属遮光的负面效应产 生, 工业技术研究院提出了以氧化铟钖作为透明电极材 料的解决办法 [ 3 ] 。最早提出以氧化铟钖来当作透明电极 的是美国的 伊斯特曼柯达 ( Ea stm an K odak) 公司 [ 4 ] , 将 其应用在磷砷化镓 LED 来解决电流拥塞的问题。然由 于 ITO 无法与磷砷化镓表面形成奥姆接触, 柯达公司便 利用一非常薄的铬金属层与磷砷化镓表面形成低的奥姆 接触电阻, 然后在其上镀上一层 ITO 来帮助电流的横向 传导分布。由于氧化铟 钖透明电极与大部 份的 V 族 化合物半导体材料并不容易形成良好的奥姆接触, 而需 要先在发光二极管结构上成长一层高掺杂的半导体接触 层, 其载子浓度要大于 101 9 cm - 3以上, 才能够形成低的 奥姆接触电阻。但一般能隙大的半导体如磷化镓并不容 易掺杂到高浓度, 而容易掺杂至高浓度的半导体如砷化 镓或砷化铟镓能隙又太小, 无可避免的又会有吸光的问 题产生。为了减少光在高掺杂的半导体接触层的吸收, 工研院首先提出利用化学蚀刻法, 将高掺杂的半导体接 触层蚀刻成网状结构, 接着再镀上氧化铟钖透明电极, 如此便可以藉由 ITO 先将电流横向传导后, 再经由网状 结构的高掺杂的半导体接触层, 将电流均匀的注入发光 层。利用此一 方法所制造的 磷化铝镓铟 发光二极 管晶 粒, 不仅构造上与美国的 H P 及日本东芝公司需要使用 厚的窗户层不同, 由于生产的工艺较为简单, 因此, 产 品的竞争力大为提升。之后, 台湾的晶元光电更进一步 解决了在高能隙半导体的高掺杂问题, 使得 ITO 可以直 接和高掺杂的磷化镓窗户层形成低的奥姆接触电阻, 由 于完全没有使用到低能隙的半导体接触层, 因此发光二

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极管的效率又进一步的被提升。
同理, ITO 使用在氮化镓发光二极管也可以改善电 流的分布, 并提升发光二极管的发光效率。但是一开始 与磷化铝镓铟发光二极管面临相同的问题, 即无法与最 表层的 p- 型氮化镓层形成良好的奥姆接触。因此, 早 期的日亚的蓝光发光二极管都是采用镍金 ( N i/A u) 的薄 金属层来当作透明电极。但 N i/A u透明电极为了要有良 好的电流横向传导功能, 需要有一定的厚度, 但厚度太 厚又会造成吸光严重, 因此, 商用的氮化镓发光二极管 都将 N i/A u透明电极的厚度控制在 15 nm 左右, 但在此 一厚度下, N i/A u 透明电极在蓝光波段只有不到 40% 的 透光率, 大大减损了发光二极管的发光效率。为了改善 透明电极的透光率, 工研院在 1999 年发表 N i/A u 透明 电极于空气环境下进行热处理, 相对于在氮气环境下热 处理, 透光率 有 明 显 的改 善。 2003 年 晶 元 光 电 利 用 M OV PE 长晶技术于 p - 型氮化镓上成 长一很薄的 高掺 杂 N 型氮化 镓层, 来 形成一 穿隧的 接面 ( T unne l Junc tion) , 如此 ITO 便能够与最表面的高掺杂 N 型氮化镓层 形成良好的奥姆接触。由于 IT O 的透光性较佳, 且其折 射率处于空气与氮 化镓材料之间, 更可以 提高出光 角 度, 增加发光二极管的取光效率。目前几乎大部份以蓝 宝石为基板的氮化 铝镓铟 LED 都是采 用 ITO 当透 明电 极, 包括日本的日亚公司亦采用 ITO 透明电极来提升发 光二极管的效率。
3 3 表面粗化
发光二极管发光层产生的光, 由于受到临界角的限 制, 大部份的光线到达晶粒与空气的界面又被反射回晶 粒的内部, 而无法逃逸到晶粒的外面, 这是发光二极体 的光取出效率低的主要原因之一。为了提高光的取出效 率, 美国的 H P 公司将其磷化铝镓铟发光二极体晶粒利 用切割工艺切割成倒梯形结构, 使得光射向正面, 且入 射角大于临界角的光, 在正面被反射后, 由梯形侧面的 斜面逃逸出来。此一结构也被美国的 C ree公司及德国的 O sram 公司应用于氮化铝镓铟发光二极管, 来提高光的 取出效率。但采用这种晶粒切割工艺, 技术上较为困难, 且会牺牲掉部份发光面积, 并不是一种经济有效的生产 技艺。
在光取出效率的改善方面, 台湾的发光二极管厂商 大部份都是采化表 面粗化的技术。关于表 面粗化的 技 术, 其实美国贝尔实验室在其美国专利 U S3739217[ 5 ] 早 就已经揭露利用表面粗化的技艺来提升磷化镓发光二极 管晶粒的光取出效率。大部份的传统发光二极体晶粒如
695 nm G aP 红光 LED 晶粒、 940 nm 砷化镓红外线 L ED
晶粒以及 660 nmA lG aA s红光 LED 晶粒也都是采用表面
粗化的工艺来改善 LED 的光取出效率。但同 样的工艺
要使用在高亮度磷化铝镓铟或氮化铝镓铟发光二极管, 却遭遇到许多困难。在不同的 III V 族 化合物半导体材 料, 在不同的晶格面, 必须找到适合的化学蚀刻溶液才 能达到表面粗化的效果。此外, 利用蚀刻溶液将磊晶层 表面腐蚀出凹凸的粗化效果, 也同时会将表面的磊晶层 蚀刻掉几 m 的厚度, 这对于传统 的发光二极管晶粒, 其最上层的磊晶层厚 度有几十 m 厚, 少掉 几 m 厚, 并不 会 影 响 其 横 向 电 流 传 导 的 能 力。 但 是 对 于 以 M OV PE成长的磷化铝镓铟发光二极管其表层只有几 m 厚, 甚至氮化铝镓铟发光二极管, 其表层不到 1 m 厚, 如果利用蚀刻工艺形成粗化的表面, 便会腐蚀掉几 m 厚的磊晶层厚度, 将严重的影响表层磊晶层的横向电流 传导能力。因此, 在磷化铝镓铟发光二极管必须开发出 一种蚀刻溶液, 只蚀刻 掉不到 1 m 厚的磊 晶层厚度, 便能够形成表面高低差在 0 5 m 厚左右的 粗化效果, 才能达到高光取出效率及较佳的电流均匀分布注入发光 层的目地。在氮化铝镓铟发光二极管方面, 由于 p- 型 氮化镓磊晶层太薄, 无法以蚀刻的方式在表层形成粗化 的效果, 台湾的发光二极管厂商, 大都是以磊晶成长的 方式, 成长出有高低差凹凸结构的表层, 来达到光取出 效率提升的效果。
3 4 芯片黏合型发光二极管
以 M OV PE 成长的磷化铝镓铟发光二极管磊芯片通 常是以晶格常数匹配的砷化镓基板来当作衬底。但砷化 镓基板由于能 隙较磷化铝镓 铟半导体材 料来得 小, 因 此, 磷化铝镓铟发光二极管发出的光射向基板方向将会 被吸收。为 此, 美 国的 H P 公司 最先采 用芯 片黏 合技 术, 来解决此一基板吸光造成发光效率降低的问题。先 利用 HV PE 技术成长一层大于 50 m 厚的窗户层当作支 撑, 接着将砷化镓基板以化学蚀刻方式移除, 然后将基 板移除后的发光二极管磊晶结构与另一片磷化镓透明基 板在高温高压下融合在一起。但这种芯片直接融合的方 式, 需要在高温高压下进行, 融合的温度要高达 750 以上, 几乎与磊晶成长的温度相当。在此高温条件下, 掺杂 ( D opan t)在磊晶层内会扩散移动, 而影响发光二极 管的发光效率及可靠性。此外半导体与半导体直接融合 的技术, 必须二片芯片有相同的晶格方向融合在一起, 才能够避免在融合面产生一高电阻区 [ 6 ] , 而导致顺向偏 压 ( F orw ard V o ltag e) 变高的问题。而且 芯片表面平整度 的要求非常高, 才能够整片芯片融合接着良好。台湾最 早研究芯片接合技术的是全新光电公司与中兴大学, 利 用热压方式将发光二极体磊芯片与一镀有金属反射层的 玻璃片接合在一起, 利用热压方式虽然可以将接合的温

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度降低至 350 , 但磊芯片的表面仍需要非常平整, 才
能够有良好的接合良率, 是此一技术的主要缺点。台湾 的厂商目前大部份是采用间接接合的方式, 也就是需要 一层黏着层来将发光二极管磊芯片及一永久性基板接合 在一起。采用黏着层的好处是可以放宽对于磊芯片表面 平整度之要求, 且芯片接 合的温度 也较低, 如国联 的 M B( M eta l Bonding ) 型磷化铝镓铟发 光二极管是采 用一 层 A uIn焊料来黏合磊芯片与另一永久性衬底如 硅基板 或氮化铝 ( A lN ) 基板, 由于硅基板会吸光, 因此必须在 磊芯片与硅基板接合的那一面, 在接合前先镀上一薄金 属层或透明导电金属氧化物层, 来当作奥姆接触层, 接 着再镀上另一层光反射层, 来避免光被基板所吸收; 而 G B( G lue Bond ing )型磷化铝镓铟发光二极管则是以胶来 黏合, 而制造出具透明基板的发光二极管。目前全世界 有荷兰 P h ilips的 L um ileds、德国的 O sram、日本 的昭和 电工 ( Show a D enko ) 及 东芝 ( T o sh iba )、以 及 台湾 的 晶 电、华上、联胜等多家公司在生产芯片黏合型磷化铝镓 铟发光二极管。
目前高功率的氮化铝镓铟发光二极管也大部份是采 用芯片接合的结构, 主要原因是蓝宝石基板的热传导只 有约 30 W /mK, 散热性能 不佳, 因 此, 需 要将蓝宝 石 基板移除, 再将发光二极管的磊晶结构置放到一高热传 导率的基板上, 来改善高功率氮化铝镓铟发光二极管的 散热问题。制造方法与前面所介绍的芯片黏合型磷化铝 镓铟发光二极管类似, 主要的差别是在衬底的移除是用 激光剥离 ( L ase r L ift o ff)的方式而不是用湿式蚀刻方法。
3 5 A C LED
目前大部份的 LED 都是 DC 直流操作、且是低电压 高电流的条件下操作, 但日常我们使用的却是高压交流 电, 通常是 A C 100~ 240 V 的电压。因此, 需要一电源 供应器做直流、交流的转换, 提供所需要的直流电流给 LED 才能正常发光。此一电源供应器主要包含降压、整 流及恒流源三部份、整个模块体积有一定大小, 并不容 易放入如 E27标准接头的灯泡。且将高压交流转换为低 压直流会有一定的功率损耗, 采用高压交流直接驱动便 可以减少能源 消耗的损失。高压 使用 LED 组件的 观念 很早就被提出, 但早期的做法是 将多颗 LED 串连 在一 起。制作方式可以将多颗卦装好 的 L ED 以电路板 连结 在一起, 或是将多颗 LED 晶粒置放于一 基板上, 再以 金属打线方式串连在一起等二种方式, 但不管那一种方 式, 皆有体积过大、良率不佳及成本高等缺点。韩国的
A C LED 中的二串微晶粒会轮流被点亮。由于在正半周
或负半周期同一时间只有一半的微晶粒被点亮发光, 因 此, 晶粒面积的 使用率祇有 50% , 从成本考虑 是一不 利的因素。为了改善上述的缺点, 台湾工业技术研究院 开发了 惠斯 登电 桥 ( ( W hea tstone B r idge ) 式 A C LED 设 计 [ 7 ] 如图 3所示, 利用部份微晶粒形成桥式整流电路, 而使得大部份的微晶粒在正负向均能够发光, 增加了晶 粒面积的使用率。

图 3 惠斯登电 桥式 A C L ED 设计 及其 在正 负半周 期点 亮 之情形
F ig 3 Co nd it io n o fW he atston e B ridg e A C L ED and l igh ting in p os itiv e and n ega t iv e ha lf cy c le
工研院的 A C LED, 由于设计创新, 于 2008年赢得 R& D 100研发大奖, 且掌握超过 25 案 80余件的关键基 础专利, 从磊芯片、晶粒、封装至应用的专利布局十分 完整。目前也正与国外的验证公司 U L、美国国家标准 与技术研究院 ( N IST )合作, 希望主导 AC LED 国际规格 之制定, 让台湾业者在全球照明市场取得优势。
3 6 O LED 照明的新型应用
根据美国市调公司 N ano M a rke ts在 2008年 9月的报 告中, O LED 照明市场规模可望在 2013 年成长到 45 亿 美元。各国之间无不卯足全力来开发这一块大饼, 因此 O LED 照明近年来成为相当热门的研究重点之一。台湾 除了致力于发展 OL ED 显示器面板之外, 在工研院也进 行着白光 O LED 的材料与组件及照明应用等技术开发。
3 6 1 磷光有机材料开发
磷光有机材料近来已成为 O LED 材料极重要的发展 方向。由于传统荧光有 机材料预计只有 25% 的 内部量 子效率 ( Inte rna l Q uan tum E ffic iency, IQ E ) , 因此大部分 的能量以不放光的形式损失, 而磷光有机材料结构中具 有过渡金属原子 ( 如: Ir, P ,t O s) , 使得原本会以热运 动将三重态能量释放的情况, 经由过渡金属产生的重原

Seou、l
美国的 III N 公司及日本 的 N itr ide Sem iconducto r
子效应而得以放光回到基态, 在学理上, 有机磷光材料

先后发布了单晶粒的交流发光二极管, 所谓的单晶粒交 流发光二极管最早的设计仅仅是由二串微晶粒反向并联 而成。当通 入交 流电 压, 随 着电 压输 入 的方 向改 变,
发光效率是有机荧光材料的 4 倍, 所以理论上使用磷光
有机材料可以达到 100% 的内部量子效率, 对有机电激 发光组件在发光效率上有突破性的进展。

第 12期 陈泽澎等: 台湾 L ED /O LED 光电材料与组件技术的发展 5 7

在磷光有机材料方面, 绿色与红色磷光材料已经达 到目前业界的规格, 而蓝色磷光材料则是落后许多, 同 时在寿命上也差强人意, 所以开发新型蓝色磷光有机材 料是让 O LED 照明成功的关键。一般最常使用的蓝色磷 光有 机材 料 F Irp ic ( Iridium ( III) b is ( 4, 6 d ifluo ropheny lpy rid inato ) p ico late ), 由于光色不够饱和, 其 x, y 色度
坐标只有 ( 0 17, 0 34 ), 因此只 能定义为天空蓝色系。
近几年来, 国内外陆续有新型的蓝色磷光有机材料发表 与报导, 但却没有显著进展, 而在台湾, 中央研究院陈 锦地教授所带领的实验团队成功开发出 F Irtaz与 F IrN 4两 个磷光有机材料 [ 8 ] 。两化合物的最大发光波长约 460 nm 左右 ( F Irp ic发光波长为 470 nm ) , 因此将 F Irta z与 F IrN 4 两者拿来制作蓝色有机电激发光组件时, 组件所发光的 C IE 色度坐标分别为 ( 0 14, 0 18) 与 ( 0 14, 0 24), 皆 比 F Irp ic所构成的组件要偏蓝色系。
清华大学季昀教授实验团队则是开发出红色磷光材 料 O s( fp tz) 2 ( PPh2 M e) 2, 制作成有机电激发光组件时,
在亮度 1 000 cd /m2 下, 有高达 22 2 lm /W 的发光功率, 同时 C IE 色度坐标为 ( 0 64, 0 36), 是一个相当纯红色 的材料 [ 9 ] 。工研院则开发出相当不错的黄橘色磷光有机 材料 PO 01, 在 同样亮度 1 000 cd /m2 下, 发光 功率高 达 33 8 lm /W, 若是与蓝色磷光材料 F irp ic搭配形成双 波段的白光 OLED, 也有不错的表现。
3 6 2 组件制作技术开发
关于 OLED 照明组件制作, 工研院在这一方面着力 甚多, 包括提 出新的发光层 架构来改善 组件的发 光效 率。在真空蒸镀方式 下, 利用 双层发 光层系统 , 搭 配一般常用的蓝色磷光材料 F Irp ic与工研院自行开发的 黄橘色磷光材料 PO 01, 同 时在膜层厚度最 佳化之后, 可以得到 一个 O LED 照明组 件在亮 度 1 000 cd /m 2 下, 电流效率 40 3 cd /A, 发光功率 32 lm /W, 操作电压为
4 V和色度坐标为 ( 0 33, 0 45 ) [ 1 0 ] 。值得注意的是在这 个组件结构下, 即使操作电压与亮度升高, 也不会有产 生色偏的现象, 如图 4所示。

图 4 工业技术研究 院开发的白光 O LED 组件 特性

F ig 4 P rope rty o f w h ite l igh t O LED m o du le de ve lope d by Indu stria l T e chno lo gy R e sea rch In st itute

除了以上的真空蒸镀制程, 现在关于湿式制程也相
当的热门, 交通大学孟心飞教授研究团队所开发的刮刀 涂布法, 可以轻易制作出大面积及多层结构的有机电激 发光 组 件 [ 1 1 ] , 同 时 有 机 材 料 的 使 用 几 乎 可 以 达 到
100% , 生产成本可以大幅降低, 成为有潜力的 研究方