發光二極體

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發光二極體(英語:Light-emitting diode縮寫LED[1]是一種能發光的半導體電子元件,透過三價與五價元素所組成的複合光源。此種電子元件早在1962年出現,早期只能夠發出低光度的紅光,被惠普買下專利後當作指示燈利用。及後發展出其他單色光的版本,時至今日,能夠發出的光已經遍及可見光、紅外線紫外線,光度亦提高到相當高的程度。用途由初時的指示燈及顯示板等;隨著白光發光二極體的出現,近年逐漸發展至被普遍用作照明用途。

發光二極體只能夠往一個方向導通(通電),叫作順向偏壓,當電流流過時,電子與電洞在其內複合而發出單色光,這叫電致發光效應,而光線的波長、顏色跟其所採用的半導體物料種類與故意摻入的元素雜質有關。具有效率高、壽命長、不易破損、反應速度快、可靠性高等傳統光源不及的優點。白光LED的發光效率近年有所進步;每千流明成本,也因為大量的資金投入使價格下降,但成本仍遠高於其他的傳統照明。雖然如此,近年仍然越來越多被用在照明用途上。

2014年憑藉「發明高亮度藍色發光二極體,帶來了節能明亮的白色光源」,天野浩赤崎勇中村修二共同獲得諾貝爾物理學獎

發展歷史

1961年,美國公司德州儀器的Robert Biard與Gary Pittman首次發現了砷化鎵及其他半導體合金的紅外放射作用。1962年,奇異公司尼克·何倫亞克開發出第一種可實際應用的可見光發光二極體。

1993年,日本日亞化學工業(Nichia Corporation)工作的中村修二成功把鎂摻入,造出了基於寬能隙半導體材料氮化鎵氮化銦鎵(InGaN)、具有商業應用價值的藍光發光二極體。中村修二於2014年因此工作與天野浩赤崎勇得到諾貝爾物理學獎。部分評論認為,諾貝爾獎跳過了紅色、綠色LED的發明者並不公平[3]。但諾貝爾委員會(物理學獎)委員長Per Delsing(瑞典Chalmers University of Technology教授)在《讀賣新聞》專訪中提出反駁,他堅稱「仔細研究發明的貢獻度之後,有十足信心決定這3個人獲獎」[4]

有了藍光發光二極體後,白光發光二極體也隨即面世,之後LED便朝增加光度的方向發展,當時一般的LED工作功率都小於30至60mW(毫瓦)。1999年輸入功率達1W(瓦)的發光二極體商品化。這些發光二極體都以特大的半導體晶片來處理高電能輸入的問題,而半導體晶片都是被固定在金屬片上,以助散熱。

2002年,在市場上開始有5W的發光二極體的出現,而其效率大約是每瓦18-22 lm(流明)。

2003年9月,Cree, Inc.公司展示了其新款的藍光發光二極體,在20mW下效率達35%。他們亦製造了一款達65 lm/W(流明每瓦)的白光發光二極體商品,這是當時市場上最亮的白光發光二極體。2005年他們展示了一款白光發光二極體原型,在350mW下,創下了每瓦70 lm的記錄性效率。[5]

2009年2月,日本發光二極體廠商日亞化學工業發表了效率高達249 lm/W的發光二極體,此乃實驗室數據[6]

2010年2月,Philips Lumileds造一白色LED在受控的實驗室環境內,以標準測試條件及以350mA電流推動下得出208lm/W,但由於該公司無透露當時的偏壓電壓,所以未能得知其功率。

2012年4月,美國發光二極體大廠科銳(Cree)推出254 lm/W光效再度刷新功率[7]

OLED的工作效率比起一般的發光二極體低得多,最高的都只是在10%左右。但OLED的生產成本低得多,例如可以用簡單的印製方法將特大的OLED陣列安放在螢幕上,用以製造彩色顯示幕。

優點

  • 能量轉換效率高(電能轉換成光能的效率) – 也即較省電。
  • 反應時間短 – 可以達到很高的閃爍頻率。
  • 使用壽命長 – 且不因連續閃爍而影響其壽命。
  • 在安全的操作環境下可達到10萬小時的壽命,即便是在50度以上的高溫,使用壽命還有約4萬小時。(螢光燈T8為8000小時、T5為20000小時、白熾燈為1,000 ~ 2,000小時)。
  • 耐震盪等機械衝擊 – 由於是固態元件,沒有燈絲、玻璃罩等,相對螢光燈、白熾燈等能承受更大震盪。
  • 體積小 – 其本身體積可以造得非常細小(小於2mm)。
  • 便於聚焦 – 因發光體積細小,而易於以透鏡等方式達致所需集散程度,藉改變其封裝外形,其發光角度由大角度散射至細角度聚焦都可以達成。
  • 單色性強 – 由於是單一能級光出的光子,波長比較單一(相對大部份人工光源而言),能在不加濾光器下提供多種單純的顏色。

缺點

  • 效率受高溫影響而急劇下降,浪費電力之餘也產生更多熱,令溫度進一步上升,形成惡性循環。除浪費電力也縮短壽命,因此需要良好散熱。
  • 由於LED的驅動電壓較低,一般家用電壓為100V~240V,需要將LED及變壓器包裝為燈泡或燈管才能應用於家中,而在降低成本的考量下,許多市售產品搭配品質較差的變壓器,而加快損壞的可能。
  • 發光二極體光度並非與電流成線性關係,光度調節略為複雜。
  • 成本較高,售價較高。
  • 因為發光二極體為光源面積小、分布較集中,作照明用途時會刺眼,須運用光學設計分散光源。
  • 每枚發光二極體因生產技術問題都會在特性(亮度、顏色、偏壓…等)上有一定差異,即使是同一批次的發光二極體差異也不少。

基本原理

發光二極體是一種特殊的二極體。和普通的二極體一樣,發光二極體由半導體晶片組成,這些半導體材料會預先透過注入或攙雜等工藝以產生p、n架構。與其它二極體一樣,發光二極體中電流可以輕易地從p極(陽極)流向n極(陰極),而相反方向則不能。兩種不同的載流子:電洞電子在不同的電極電壓作用下從電極流向p、n架構。當電洞和電子相遇而產生複合,電子會跌落到較低的能階,同時以光子的模式釋放出能量(光子也即是我們常稱呼的光)。

它所發射出的光的波長(顏色)是由組成p、n架構的半導體物料的禁帶能量決定。由於間接帶隙材料,在常溫下,這些材料內電子與電洞的複合是非輻射躍遷,此類躍遷沒有釋出光子,而是把能量轉化為熱能,所以矽和鍺二極體不能發光(在極低溫的特定溫度下則會發光,必須在特殊角度下才可發現,而該發光的亮度不明顯)。發光二極體所用的材料都是直接帶隙型的,因此能量會以光子形式釋放,這些禁帶能量對應著近紅外線可見光、或近紫外線波段的光能量。

發展初期,採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發射出紅外線或紅光。隨著材料科學的進步,新研發成功的發光二極體能夠發射出頻率越來越高的光波。現今,已可製成各種顏色的發光二極體。

二極體通常建構於N型基板,在其表面沉積一層P型半導體,用電極連結在一起。P型基板比較不常見,但也有被使用。很多商業發光二極體,特別是GaN/InGaN,也會使用藍寶石基板。

大多數用來製成發光二極體的物質具有非常高的折射率。這意味著大部分光波會在物質與空氣的介面會被反射回物質,因此,光波萃取對於發光二極體是很重要的論題,大量研究與發展都聚焦於這論題。

白光發光二極體的原理

發光二極體本身是單色光源,而自然界的白光(陽光)的光譜則是包含各種顏色,所以LED不可能完全達到如自然光的效果。白光發光二極體是透過發出三源色的單色光(藍、綠、紅)或以螢光劑把發光二極體發出的單色光轉化,使整體光譜含為含有三源色的光譜,刺激人眼感光細胞,使人有看見白光的感覺。

結合藍光發光二極體、紅光發光二極體和綠光發光二極體便可做出白光發光二極體,這樣產生的白光發光二極體有較廣的色域,而且效率較其他方法高,不過成本相當高。近年生產技術的改進下,越來越多產品採用這方法。

現在普及的白光發光二極體都採用單一發光單元發出波長較短的光,如藍或紫外光,再用磷光劑把部份或全部光轉化成一頻譜含有綠、紅光等波長較長的光。這種光波波長轉化作用稱為螢光,原理是短波長的光子(藍、紫、紫外光)被螢光物質(如磷光劑)中的電子吸收後,電子被激發(跳)至較高能量、不穩定的激發狀態,之後電子在返回原位時,一部份能量散失成熱能,一部份以光子形式放出,由於放出的光子能量比之前的小,所以波長較長。由於轉化過程中有部份能量化成熱能,造成能量損耗,因此這類白光發光二極體的效率較低。

發光單元有採用藍光發光二極體的,也有採用紫外光發光二極體的。日亞化學工業開發並從1996年開始生產的白光發光二極體採用藍光發光二極體作發光單元,波長450 nm至470 nm,磷光劑通常是摻雜了(Ce3+:YAG,實際上單晶的摻鈰(Ce)的YAG被視為閃爍器多於磷光體。)。發光二極體發出的部份藍光由螢光劑轉換成黃光為主的較寬光譜(光譜中心約為580nm),由於黃光能刺激人眼中的紅光和綠光受體,加上原有剩餘的藍光刺激人眼中的藍光受體,看起來就像白色光,而其所呈現的色澤常被稱作「月光的白色」。若要調校淡黃色光的顏色,可以把摻雜在Ce3+:YAG中的鈰(Ce)換作其他稀釋金屬,例如,甚至可以以取代YAG中的部份或全部鋁的模式做到。而基於其光譜的特性,紅色和綠色的物體在這種發光二極體照射下看起來會不及寬頻譜光源照射時那麼鮮明。另外由於生產工藝的波動,這種發光二極體的成品的色溫並不統一,從暖的黃色到冷的藍色都有,所以在生產過程中會以其出來的特性作出區分。而這種發光二極體的結構是把藍光發光二極體封進混入了磷光劑的環氧樹脂中而造成,但也有較複雜的方法,由Philips Lumileds取得專利的方法便是把磷光劑塗在發光二極體上,值由控制磷光劑的厚度增加效率。

另一種白光發光二極體的發光原理跟螢光燈是一樣的。發光單元是紫外光發光二極體,外面包著兩種磷光劑混合物,一種是發紅光和藍光的,另一種磷光劑是發綠光的銅和鋁摻雜了硫化鋅。內裡的紫外光發光二極體發出的紫外光被外層的磷光劑轉換成紅、藍、綠三色光,混合後就成了白光。但由於紫外線會使黏合劑中的環氧樹脂劣化變質,所以生產難度較高,而壽命亦較短。與第一種方法比較,因為斯托克司頻移(Stokes Shift)前者較大,光波在轉化過程中有較多被化成熱能,因此效率較低,但好處是光譜的特性較佳,產生的光比較好看。而由於紫外光的發光二極體功率較高,所以其效率雖比較第一種方法低,但出來的亮度卻相若。

最新一種製造白光發光二極體的方法沒再用上磷光體。新的做法是在硒化鋅基板上生長硒化鋅的磊晶層。通電時其活躍地帶會發出藍光而基板會發黃光,混合起來便是白色光。

其他顏色

近期開發出來的發光二極體顏色包括粉紅色和紫色,都是在藍光發光二極體上覆蓋上一至兩層的磷光體造成。粉紅色發光二極體用的第一層磷光體能發黃光,而第二層則發出橙色或紅色光。而紫色發光二極體用的磷光體發橙色光。另外一些粉紅色發光二極體的製造方法則存在一定的問題,例如有些粉紅色發光二極體是在藍光發光二極體塗上螢光漆或指甲油,但它們有可能會剝落;而有些則用上白光發光二極體加上粉紅色磷光體或染料,可是在短時間內顏色會褪去。

價錢方面,紫外線、藍色、純綠色、白色、粉紅色和紫色LED是較紅色、橙色、綠色、黃色、紅外線發光二極體貴的,所以前者在商業用途上比較遜色。

發光二極體是封裝在塑膠透鏡內的,比使用玻璃的燈泡或日光燈更堅固。而有時這些外層封裝會被上色,但這只是為了裝飾或增加對比度,實質上並不能改變發光二極體發光的顏色。

LED光衰

最常見的發光二極體(和鐳射二極體)的失效是逐漸降低光輸出和效率損失。然而,瞬間的失效也是有可能會發生。晶核成長過程中的差排可能導致光輻射在差排的結合形成使得活性區域衰減的機制;意味著晶格中有存在缺陷,並可以經由熱、高的電流密度及光的放射來加速其發生。

砷化鎵及砷化鋁鎵相較於砷磷化鎵、砷磷化銦鎵及磷化銦是比較容易受這個機制所影響,基於活性區域的不同性質,氮化鎵及氮化銦鎵則對這類的缺陷更為敏感,不管怎樣,高的電流密度可以導致原子的遷移電子跳離活性區域引出差排和點缺陷,看起來像是非光輻射的結合來產生熱而非光,電離輻射同樣的也會造成這樣的缺陷,使得LED存在輻射電路局限的問題(例如在光絕緣體中),早期的紅光因而有顯著的短壽命情況。

白光LED通常使用一或多種的螢光粉,螢光粉會受到熱跟壽命的影響而衰減並降低效率,導致產出的光色改變。

高的電子流在高的溫度下會使得金屬原子從電極擴散至活性區域,有些材料,尤其是氧化銦錫和銀就容易有電子遷移的情形;有些狀況,尤其是GaN/InGaN的二極體,阻擋層金屬被使用來阻礙電子的遷移,機械的應力、高的電流和腐蝕性的環境可能會使得細小的連結發生導致短路的情形。

高功率LED對電流的擁擠敏感,不均勻的電流密度分布在接合點(junction)上,可能會產生局部的熱點,存在熱燒毀的風險,基板的不均勻導致熱傳導損失,使得問題變得更嚴重,常見的是來自於焊接材料的孔洞或是電子遷移效應和Kirkendall空洞,熱燒毀是LED常見的失效。當光的輸出超出了臨界水準而導致琢面(facet)燒熔時,雷射二極體可能會有激烈的光學損壞。有些塑膠封裝的材質會因為熱的緣故而變黃,導致局部波長的光被吸收而影響波長。突然間的失效常常是因為熱應力所致,當環氧樹脂的封裝達到玻璃轉移溫度時,樹脂會很快速的膨脹,在半導體和焊點接觸的位置產生機械應力來弱化或扯斷它,而在非常低的溫度時則會讓封裝產生裂痕。

靜電的放電也可能產生半導體接合點(junction)立即的失效,特性的永久漂移及潛在的損壞都會導致衰減的速率增加,接合在藍寶石基板上的發光二極體及雷射,對ESD的損害更為敏感。