摆脱电源损耗宿命：HV LED点亮高效率光源.doc

摆脱电源损耗宿命：HV LED点亮高效率光源目前广泛使用的直流发光二极管（DC LED），若要经由市电供电，须外加交流对直流（AC-DC）整流器，易造成额外物料成本及能源转换损失，因此产业界已发展出以交流电直接驱动的高压LED（HV LED），可大幅提升LED照明系统的能源利用率和发光效率。在传统照明光源中，发光效率最好的是日光灯，其光源本身的发光效率约65lm/W。用于镇流器的附加电路会造成13-20%的能源损耗，光源发光经过灯具的反射罩，其光源效率损耗约30-40%，因此在实际的照明应用环境下，日光灯的灯具照明发光效率约35lm/W。虽然光源自身发光效率高，但附加电路和灯具结构所造成的光损失，将会大幅降低灯源的发光效率。目前已大幅应用在照明光源的高功率白光直流发光二极管（DC LED）（表1），其光源发光效率可达150lm/W。但DC LED是以直流电源驱动操作，若要使用在市电上，势必要外加交流对直流（AC-DC）整流器，电源转换将会造成20-30%的能源损耗，且驱动电路之体积也较为庞大，灯具设计弹性相对会受到限制。台湾自主性研发的高压（HV）LED技术产品，仅需简易的外加驱动电路，即可直接以市电110伏特（V）/220V驱动操作，并具备90%高功率因数 （PF）、95%高能源利用率、高发光效率等优点。目前已于国际上取得发展先机，国内厂商晶元光电已陆续将HV LED晶粒产品出货给国外各家LED封装及应用大厂使用，国内也有多家相关厂商投入HV LED照明光源产品的开发，是为未来照明光源主流趋势。迥异DC LED 驱动方式HV LED特性和设计大相迳庭高压LED是以半导体制程方式，将多颗微晶粒置于同一基板上，再加以串接而成，其所需之制程技术与传统LED十分近似。然而，由于驱动方式的不同，特别是在交流电驱动条件下，高压LED的特性和设计方向与传统LED有显着差异。图1为高压LED芯片结构示意图。多颗制作于同一基板的微晶粒间以金属导线连结串接，而高压驱动电流则经由末端的两个打线垫片进入微晶粒串。由图2的微晶粒结构侧视图中，则可发现单颗微晶粒的结构与传统LED间主要的差异，仅在于尺寸的不同，其他包括透明导电层、表面粗糙化、图案化蓝宝石基板等可提升传统 LED效率的技术，也同样适用于高压LED。图1高压LED结构上视图图2成长于蓝宝石基板的GaN微晶粒侧视结构图高压LED与传统LED芯片两者在制程上的主要差异点在于绝缘基板的使用、绝缘沟槽的蚀刻及金属导线的制作。高压LED的核心概念是将制作于同一基板的多颗微晶粒加以串接而成，因此使用绝缘基板确保微晶粒间的电性绝缘是高压LED得以正常操作的基本条件。对于以氮化镓（GaN）材料所成长的LED而言，由于所使用的蓝宝石基板具备极佳绝缘特性，因此只要将微晶粒间的沟槽蚀刻至基板裸露，即可达到良好的电性绝缘。此外，由图3中可发现，虽然微晶粒间的绝缘沟槽是让高压LED得以正确运作的必要结构，但却也使得高压LED芯片整体的可发光面积缩减。虽然在概念上，越细窄的绝缘沟槽可增加高压LED芯片的可发光面积，但相对也会提升制程的困难度。图3高压LED芯片SEM照片绝缘沟槽的侧壁须使用介电材料被覆保护，以避免金属导线通过表面时，P-N材料间发生短路情况。但当绝缘沟槽过于细窄时，无论使用化学气相沉积或蒸镀方式制作介电材料薄膜，均可能发生被覆不完全的情况，并导致微晶粒的P-N材料短路失效。同样地，过于细窄的绝缘沟槽也会使得金属蒸气不易进入，造成金属导线薄膜的厚度过薄或甚至不连续，进而导致高压LED芯片的串联电阻增加，或甚至有开路失效情况发生。为提升介电材料与导线金属薄膜的制程良率，将绝缘沟槽制作成为开口向上的倒梯形结构是一可行方式。图4中所显示的倾斜侧壁结构除可提升微晶粒与高压LED 的制程良率外，非矩形的几何结构对微晶粒的光取出效率提升亦有帮助。此外，为避免金属遮蔽降低高压LED发光效率，铺设于微晶粒间的金属导线必须同时具备低阻抗与低光线遮蔽之特性。制作细且厚的金属导线是达成上述目标的方法之一，而使用透明金属氧化物，如氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）等，做为导线材料亦是可行手段，两者均有助提升高压LED发光效率。图4具倾斜侧壁、倒梯形开口的微晶粒结构以下针对国内外的HV LED技术研发现况，做一概略性的整理。