1、浅谈 LED台湾可称得上是全世界光电工业的主要生产地之一，LED 是其中一项重要的产品。LED 是取自 Light Emitting Diode 三个字的缩写，中文译为“发光二极管”，顾名思义，这是一种会发光的半导体组件，且具有二极管的电子特性。的确，LED 是属于半导体光电组件，除了具有发光的特性之外，它完完全全就是半导体二极整流器，如果我们取它的整流特性，它不但可以完全符合需求，而且在外加正偏压的情况下，会发出具有某种波长的光。因此，我们也了解到，即使具有整流二极管的功能，我们通常是利用 LED 的发光特性而非整流特性，这种发光的特性是发生在二极管电子曲线正偏压部分。 LED 的发展由来已
2、久，和半导体雷射组件的发展几乎同步。虽然近年来，LED 已发展成独立的一支庞大工业，在早期甚至可谓半导体雷射的附属产品。但在其发展的初期，只不过是半导体雷射的附属产品而已。今日的 LED 工业如此发达，完全是拜半导体雷射发明之赐。这种组件最早期的应用是在于光通讯领域，其主要波长几乎全在红外光谱范围，半导体组件的电光（electro luminescence）转换效应，首次在 1962 年末期被实现，据信是由不同的三组研究人员分别在美国及前苏联几乎在同一时期发展成功。发明半导体雷射的最主要动机是来自于在此之前固态雷射的发明，红宝石成功的产生雷射激光，成为有始以来的第一个固态雷射材料。科学家认为在
3、理论上，半导体材料也应该会产生雷射效应。因此有了半导体雷射的发明，跟随而来的是利用该种雷射光源，应用于光纤通讯，乃开启了光纤通讯的新纪元。由于光纤的传输特性，只局限于红外光范围，因此半导体雷射的竞赛大多局限于红外光谱。迄今为止，无数的高功率高传输效果的半导体雷射已成熟的将信号经由越洋海底光缆传送到目的地，而这种先进技术衍生出了 LED 的制造工业，LED 的产生基于两种需求。其一，并非所有的光纤通讯都必须采用雷射作为光源，在较短的距离内或在较慢的信号调变要求下，LED，由于制程较简单，制造成本较低，经常作为雷射的代用光源。其二，前面所提，绝大部分的光通讯是在红外光谱进行。既然发光组件可以产生光
4、源，何不设计成可见光的型式，应用于信号判别数字显示，甚至于影像处理或显示屏。可能是由于这两种不同的需求，LED 渐渐的独立而自成一体系。而且最大的应用领域在于显示器及相关工业，其波长包含了可见光的大部分范围，主要为红黄绿以及最近发展出来的蓝色光谱。读者之间如果有人对于 LED 的颜色稍微留意，一定不难发现到市面上所看到的各种 LED 显示器大多是红黄绿三种颜色居多。橙色也有但居少数，在大约五年以前，蓝色光源几乎是不存在。这些颜色的后面所代表的意义又如何，以下作一简单的介绍。本文以最深入浅出的观念来作一非技术说明。半导体材料有一非常有趣的特性，就是所谓的载子（carrier）载子分成两类，一类为
5、电子，带负电，另一类为电洞，带正电。这两种载子在某些条件下可以结合而产生光子，此为发光的基本原理。依材料的不同，电子和电洞所占有的能阶也不同，其相对能阶高度差即是决定两载子结合所发出能量的高低，可以产生具有不同能量之光子，藉此可以控制 LED 所发出光的波长，也就是光谱或颜色。因此，欲决定 LED 所发出光的颜色，可以由材料的结构来选择。制造历史上第一个半导体雷射所使用的材料是砷化镓（GaAs）的 p-n 同构接面（homojunction）其能隙（energy gap）为 1.424eV，所放出的光子波长大约在 0.84m，落于红外光谱。这种能隙与所发出光子波长关系可以很容易的由理论推算得出
6、来，研究人员可以依这些理论推算结果反推而预测出在各种可见光范围所必须采用的材料，再根据这些材枓的特性而设计出制程技术以及相关设备。史上的第一个半导体雷射发出的波长显然和预测值相当接近，此一结果给予了科学界无比的振奋，也对于发光组件的未来注入了无穷的希望。在发光材料中最为研究人员所熟知的除了 GaAs 之外，另有一种结构类似的称为磷化镓（GaP）的材料，其能隙为 2.261eV。将 GaAs 与 GaP 两种材料混合，可以得到 GaAs1-xPx 的结构，其中 x 代表着磷元素取代砷元素的百分比。当 x 由 0 渐渐增加到 1 时，材料结构由 GaAs 渐渐改变到 GaP。其能隙则由 1.424
7、eV 增至 2.261eV。在这范围内，理论上可以得到的光波长涵盖了红外光一直到绿光范围。而实际上，此一 GaAs 1-xPx 系统即是早期 LED 工业最重要的材枓结构。一直到四元元素发展成熟之前，几乎所有可见光 LED 全是以这一系列的材料所制造，除了 GaAs 所发的红外光之外，其中应用最广的要首推 GaP 以及 GaAs0.6P0.4 的红光 LED，GaAs0.35P0.65 的橙光 LED，GaAs0.14P0.86 的黄光 LED 以及 GaP 的绿光 LED。GaP 的能隙在此一系列各材料中为最高值，所发出的波长也最短，但郄只达到绿光范围。整整将近 30 年的技术发展过程中，L
8、ED 的工业大放异彩，唯独欠缺蓝色光源，由于蓝色光源是构成各种颜色的三种原色之一，蓝光之无法成功的获得，使得 LED 工业在全彩影像显示的技术上无法突破。早在 1980 年初期，液晶显示技术仍旧非常不成熟，LED 的工业已相当发达（蓝光除外），当时的光电界倾尽全力寻求突破蓝光 LED 的技术，期望有朝一日能够采用全彩的 LED 作为平面显示屏的发光组件。由于高效率蓝光 LED 无法适时推出，加上液晶显示技术的改进，后者终于被大量的应用于平面显示技术上。目前最为成熟也最具效率的蓝光 LED 是采用氮化镓（GaN）的合金为其基本元素，其发光效率非常高。在此一结构发展成功之前，研究人员也曾探寻了其它
9、的材料结构，而且也都成功的发展出蓝色光源，只可惜因先天上不足（基于材料特性而非技术之不良）而无法大量使用。其中最有名的材料结构是采用碳化硅（SiC）合成物的蓝光 LED，美国及日本在此一材料上都没下巨资研发，但由于这种材料是属间接能隙（indirect bandgap）的电光转换，效果不高，一直到近几年的 GaN 蓝色光源的发明，才算真正的得到突破。台湾的 LED 工业之起源，是由封装业开始，早期大多集中于北部的土城中和一带，其中最具代表性的公司为光宝，大约成立于 1980 前后， LED 封装属于劳力密集工业，大部分生产线现已外移到东南亚。早期由于封装业的发达，对于下游的市场自然控制了一些营
10、销管道，基于利润的考虑以及上游技术的自主权，也有少数业者尝试着自行开发磊晶的技术，除了工研院之外，其中较为有名的要属万邦电子（位于新竹附近）以及光达电子（位于台北附近）。创始的年代也大约都是 1980 年左右，在这一个时期，异构磊晶技术仍未大量使用于工业上，最普遍的方法是采用 p-n junction 的技术，以扩散的方式在芯片上产生二极管整流的效用。以现今的技术标准来衡量，这种方法可能有点落后，在当年可是居于时代尖端的产品。以红光 620nm 的 LED 芯片为例，所使用的材料是 GaAs1-xPx 的 n-type 磊晶半成品，置于 600700oC 的环境下进行 p-type 杂质扩散，
11、而得到 p-n 接面，这种 p-n 接面型的 LED，在受到正偏压的状况下，可以产生少数载子注入（minority carrier injection），效用与多数载子（majority carrier）结合时，可产生发光效应，这种简单型的 p-n junction 制程相对简单却是早期 LED 的主力产品。1985 年到 1990 年之间是台湾 LED 工业的锐变期，由于下游封装工业已日渐壮大且自成一体系，业界希望能够突破现况而更上一层楼，于是前段的制程技术也日渐受到重视，恰在在此一期间，除了 LED 雷射以外，- 族的材料技术在电子应用也受到极大的重视。因为理论上，这种 -族的材料具有其它
12、的电子特性，可以用来制造高速电子组件，当时半导体界甚至预测这种 - 族材料（如砷化镓）必定会在数年之内取代硅芯片而成为主流产品。全半导体界也都倾尽心力来研制优良的 - 族材料。各种磊晶的技术也都在这一段期间陆续的在世界各地的学研机构发展起来，台湾也不例外。其中有液态磊晶（LPE），气相磊晶（VPE），有机金属气相沉积（MOCVD），以及分子束磊晶（MBE）等技术。二十年后的今天，硅材料仍旧是集成电路的主流材料，毫无被取代的迹象。但由于全世界大量投入，- 族的研发技术大大的提升，受益最大的工业要属发光组件，也就是 LED 及半导体雷射。自从 1990 年初以来，台湾的 LED 制作技术全面化的得
13、到提升，LPE 法在 90 年初已是相当普遍了，往后几年由于旅居国外的技术人员大量回国，带回了各种新的量产技术，其中，最重要的一项是以 MOCVD 技术来生产异构接面的高亮度组件，经过了二十年的经营，台湾的 LED 工业已由下游封装提升到自产芯片的层次，这是国人引为自傲的，最近也陆续传出国人在 GaN 的蓝光 LED 的制造技术已获得技术上的突破，使得台湾在 LED 领域更上层楼，除了骄傲喝采之外，我们也必须回顾一下过去二十年来的荜路蓝缕，藉此分享一下前人对于 LED 产业的茹苦含辛，而更珍惜这份产业。LED 的波长取决于所组成的材料及磊晶层的结构，这一点在前面已经提过，另外，相当重要的一点是
14、：磊晶层成长的晶格大小必须与基片(substrate)的晶格匹配，才不致于因应力的因素导致晶格缺陷。最早的异构磊晶 (heteroepitaxy) 是采用 GaAs 作基片，在上成长 GaAlAs 的磊晶层，巧合的是，这两种材料的晶格非常近似，所以磊晶层与基片之间的应力极小，因此研发过程中并无发生太大的困扰，但是这两种材料在晶格的匹配上可说是特例。后来陆续发展出来的磊晶如 GaAs1-xPx on GaAs 或是 GaAsxP1-x on GaP 都有应力的问题，因此，磊晶成长时必须以渐进的方式将 x 由 0 渐渐向上提高而达到所欲得之比例。即使如此，所产生的应力仍足以导致芯片产生弯曲现象，有
15、时相当严重。在 LED 的发展史上，晶格的匹配是一个重大的课题，这一点和 IC 发展史中所使用的硅晶材料有非常大的区别，在绝大部份的 IC 制程中，磊晶技术并不是必要的条件，例如氧化成长、复晶闸 (ploy-gate)、金属 plug 甚至金属电极，皆不必采用到磊晶成长，即使是硅磊晶成长亦只不过是同构磊晶(homoepitaxy)，毫无晶格匹配的问题出现。在光电材料中，为了得到某个波长的光源，必然须调整二元、三元甚至四元材料的比率，一方面可以得到适当的能隙，一方面又可以藉不同大小的多元原子的比例来匹配基片的晶格结构，可谓绝招，但参数上也复杂许多，因此，LED 的磊晶技术由最早期的液态磊晶 (L
16、PE)，进展到最近的气相磊晶 (VPE) 或有机气相分子沉积 (MOCVD)。由于有机分子原料的进步及突破，近年来 MOCVD 的技术已成主流，高能隙材料的合成所需的能量非常高，例如 GaN 材料中的 N 原子分解，已不是采用高温 LPE 即可解决的问题，因此，高温 MOCVD 成长为目前最可行的磊晶技术，利用气体分子成长的另一个优点是在厚度上的容易控制。不同结构层可以藉由供给不同的气体分子的组成及比例而达成，多层膜的异构晶磊可以相当容易的达成，在能隙控制量子井(quantum well)以及晶格大小的调变上可以同时达成。 公元 1990 年以来，LED 界有几件相当重大的进展，一是 1990
17、 年前后，高亮度 AlGaInP 系列可见光 LED 的量产，以及 1995 年左右的 GaN 系列的高亮度蓝光 LED 的发展成功。高亮度的 LED 的制作成功，由于显示器亮度提高到可适用于日间显示指示灯之用，LED 的应用范围就大大的提升了，也意味着许多指示灯广告及照明工业的革命，其中一个非常明显的用途在于汽车用的交通号志。AlGaInP 四元材料所涵盖的波长范围为 570nm 的黄光，590nm 的橙光以及 620nm 的红光；GaN 或 GaInN 最主要的波长为 450nm 的蓝光以及 525nm 的蓝绿光谱，综合这些光谱，可见光的三种原色：红、蓝、绿，已经都有高亮度的 LED 光源
18、可使用，无论在全彩的显示屏、高效率指示或是照明领域都已具备基本的条件。最近，更有人将蓝光的 LED 上布光威光磷粉，将蓝光转化成白色光源，其能量转换效率高于传统型照明光源，白光 LED 的出现，使得它的应用领域由原来的指示灯显示器、广告广告牌，跃升到高效率照明光源，在未来的十年内，对整个世界的照明工业将会产生巨大的变革。人类所使用的各种光源、指示灯，尤其是照明设备，消耗相当多的能源，高亮度且高效率的 LED 的出现，尤其是在全彩的显示屏以及未来照明的应用，的确是具备有非常雄厚的发展潜力。众所周知，日亚 (Nichia) 是第一个将 GaN 系列成长在 sapphire 晶圆上的公司，自从此一技
19、术发展成功之后，Nichia 又发展出一系列的产品，成功的利用各种类似的结构做出不同波长的 LED，其中有蓝光、绿光甚至黄光，最近，Nichia 更利用类似的结构成功的制作出紫光(半导体)雷射。(图一)及(图二)分别是日亚所发展的蓝光 LED 及紫光雷射结构，所引人注目的是，(图二)中所采用的基片材质是 GaN 所构成。LED 界中最热门的研究领域是混合铝(Al)、钙(Ga) 、铟(In)和氮(N)四种元素，以气相磊晶技术合成 AlGaInN 的四元材料，可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。近几年来几家厂商在蓝光 LED 的突破也的确对光电产业造成了不小的冲击，顿时整个 LED 产业似
20、乎都绕着蓝光而转。日亚化学公司甚至将最近发展成功的紫外光半导体雷射列在该公司网站上作为最醒目的标题，其单价为 US$2000，实在是高得离谱，紫光雷射有一个非常有潜力的应用领域，即为高密度光盘或 DVD 读写头，光盘的信息密度受到一个天然的界限，就是雷射读写头所发出的波长，愈短的波长对于信号的辨识力即愈高，且波长和信息之密度大略成平方反比之关系，换句话说，波长减半，信息密度可望成为四倍。GaN 蓝光 LED 的种种优点，为人类带来了意想不到的用途，也同时带来了相对的挑战。GaN 是一种相当坚硬的共价键材料，不同于传统的 GaAlAs 或 GaInP，后两种材料为低能隙低硬材质，制作时是采用 G
21、aAs 或 InP 为底座。其组件的结构是将两电极分别镀于上下两面，组件的驱动电流是由组件的正面或背面经过作用层(active layer)即发光区，流至另一面，由于 GaAs 以及 InP 皆有导电的性能，因此这种组件的电极结构是可行的，可是相同的结构却无法用在 GaN 蓝光 LED，理由如下：(至少到目前为止) GaN 是采用蓝宝石 (sapphire)作为基片(substrate)，由于 sapphire 是一种绝缘材料并无法导电，为使适当的电能可以驱动使其产生电光转换效用，两电极之结构，如(图一)或(图二)所示，均必须镀于组件之上方。如此一来，电流不必流经 substrate，然而在制
22、作程序上却相对的增加不少困难，蚀刻成了必要的制程。又由于 GaN 的坚硬度，化学蚀刻起不了丝毫的作用，因此电浆蚀刻成了唯一可行的办法。GaN 系列材料的蚀刻：由于 GaN 材料的化学键结实在是非常强，即使采用传统式的电浆蚀刻技术，仍无法得到预期的效果，传统的蚀刻方法具有较低的电浆密度，离子对于芯片的撞击情况相当严重，可操作的压力范围偏高，造成离子的散射作用，乃至于等向蚀刻效用，使得蚀刻宽度无法准确控制，且无法达到垂直蚀刻的效果。其中最严重的问题是出在传统电浆的离子密度不足，必须加大功率以增加物理蚀刻速率，但由于功率之增加导致离子的撞击率也相对增加，易造成对于组件的损伤。除此之外，另有一件相关于
23、 GaN 雷射半导体组件制作上非常重要的事实，也非常值得注意，自从公元 1994 年以来，日亚即努力的研发 GaN 系统的蓝紫光系列半导体雷射，且于来年成功的将结果报导于文献上。由于 sapphire 与 GaN 的晶格差异相当大，因此在磊晶时，两种材料的晶格方向有一个角度的差别，由于雷射的共振必须要求光谱平坦且平行的反射镜面，传统的方式是将 substrate 劈开，使裂缝传至组件的磊晶结构的晶格，而得到光滑的平行反射镜面以产生共振腔。但由于 GaN 磊晶层与 sapphire substrate 在晶格排列上并平行，因此无法采用劈割方式得到镜面，最可行的方法应是采用电浆蚀刻，然而由于采用传
24、统蚀刻技术所得到的表面过于粗糙，无法使用于雷射的共振腔，唯有使用高密度电浆才可得到所要求的镜面结构，因此采用高密度电浆蚀刻的技术在此一组件上将会有系统的被探讨。高密度电浆大致分为 ECR 与 ICP 两种主要结构，二者皆藉磁场效用产生高密度电浆，其中 ECR 所采用的是外加磁场产生微波共振，而 ICP 所采用的是以电场感应用磁场，有异曲同工之妙(见注)。电浆中的磁场有一主要功能，在于使得带电粒子(活性离子或电子)环绕磁力线而行。此作用增加了粒子之间的碰撞机率，高密度电浆的另一特性是，电浆密度可随输入功率提高，不会导致组件因粒子撞击而受损。因此，高密度电浆比传统式的电浆密度可提高到 100100
25、0 倍，反应粒子数目大量增加，使得蚀刻的表面非常容易控制，因此平滑的镜面结构亦较容易获得。除此优点外，高密度电浆可以在非常低的压力下操作，其优点是可得到较垂直的蚀刻面，作为共振腔的两个反射面，其表面应为相互平行，此一要求是传统电浆蚀刻技术无法达到的。在最近的文献中也发现到，Nichia 采用 GaN 为底座 (substrate)，取代了 sapphire，顺利的发展出紫色光源 (LED 或 LD)，效果固然是非常好，但是以 GaN 作为 substrate，成本绝对惊人，且产能也将是一个大问题，也难怪其单价为 US$2000。希望未来有造价较低的蓝光或紫色雷射半导体流通于市场。台湾在世界 LED 的工业上占有举足轻重的地位，过去在下游的封装业，最近在磊晶及高亮度组件的量产皆有非常优良的表现。依这种产业规模，台湾在创新方面应有更好的表现才是。1960 年代，GaAlAs 结构的产生，1980 年代的 MOCVD 技术以及相关的异构四元结构，以及 1990 年代 GaN 蓝紫光系列，是此一产业重要的里程碑，多元化的应用使得成功的机会也相对增多，笔者非常希望有朝一日重大的里程碑来自于台湾。
