擺脫電源損耗宿命：HV LED點(diǎn)亮高效率光源

　　目前廣泛使用的直流發(fā)光二極管（DC LED），若要經(jīng)由市電供電，須外加交流對(duì)直流（AC-DC）整流器，易造成額外物料成本及能源轉(zhuǎn)換損失，因此產(chǎn)業(yè)界已發(fā)展出以交流電直接驅(qū)動(dòng)的高壓LED（HV LED），可大幅提升LED照明系統(tǒng)的能源利用率和發(fā)光效率。

　　在傳統(tǒng)照明光源中，發(fā)光效率最好的是日光燈，其光源本身的發(fā)光效率約65lm/W。用于鎮(zhèn)流器的附加電路會(huì)造成13-20%的能源損耗，光源發(fā)光經(jīng)過燈具的反射罩，其光源效率損耗約30-40%，因此在實(shí)際的照明應(yīng)用環(huán)境下，日光燈的燈具照明發(fā)光效率約35lm/W。雖然光源自身發(fā)光效率高，但附加電路和燈具結(jié)構(gòu)所造成的光損失，將會(huì)大幅降低燈源的發(fā)光效率。

　　目前已大幅應(yīng)用在照明光源的高功率白光直流發(fā)光二極管（DC LED）（表1），其光源發(fā)光效率可達(dá)150lm/W。但DC LED是以直流電源驅(qū)動(dòng)操作，若要使用在市電上，勢必要外加交流對(duì)直流（AC-DC）整流器，電源轉(zhuǎn)換將會(huì)造成20-30%的能源損耗，且驅(qū)動(dòng)電路之體積也較為龐大，燈具設(shè)計(jì)彈性相對(duì)會(huì)受到限制。

　　臺(tái)灣自主性研發(fā)的高壓（HV）LED技術(shù)產(chǎn)品，僅需簡易的外加驅(qū)動(dòng)電路，即可直接以市電110伏特（V）/220V驅(qū)動(dòng)操作，并具備90%高功率因數(shù) （PF）、95%高能源利用率、高發(fā)光效率等優(yōu)點(diǎn)。目前已于國際上取得發(fā)展先機(jī)，國內(nèi)廠商晶元光電已陸續(xù)將HV LED晶粒產(chǎn)品出貨給國外各家LED封裝及應(yīng)用大廠使用，國內(nèi)也有多家相關(guān)廠商投入HV LED照明光源產(chǎn)品的開發(fā)，是為未來照明光源主流趨勢。

　　迥異DC LED 驅(qū)動(dòng)方式　HV LED特性和設(shè)計(jì)大相逕庭

　　高壓LED是以半導(dǎo)體制程方式，將多顆微晶粒置于同一基板上，再加以串接而成，其所需之制程技術(shù)與傳統(tǒng)LED十分近似。然而，由于驅(qū)動(dòng)方式的不同，特別是在交流電驅(qū)動(dòng)條件下，高壓LED的特性和設(shè)計(jì)方向與傳統(tǒng)LED有顯著差異。

　　圖1為高壓LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖。多顆制作于同一基板的微晶粒間以金屬導(dǎo)線連結(jié)串接，而高壓驅(qū)動(dòng)電流則經(jīng)由末端的兩個(gè)打線墊片進(jìn)入微晶粒串。由圖2的微晶粒結(jié)構(gòu)側(cè)視圖中，則可發(fā)現(xiàn)單顆微晶粒的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)LED間主要的差異，僅在于尺寸的不同，其他包括透明導(dǎo)電層、表面粗糙化、圖案化藍(lán)寶石基板等可提升傳統(tǒng) LED效率的技術(shù)，也同樣適用于高壓LED。

　　圖1　高壓LED結(jié)構(gòu)上視圖

　　圖2　成長于藍(lán)寶石基板的GaN微晶粒側(cè)視結(jié)構(gòu)圖

　　高壓LED與傳統(tǒng)LED芯片兩者在制程上的主要差異點(diǎn)在于絕緣基板的使用、絕緣溝槽的蝕刻及金屬導(dǎo)線的制作。高壓LED的核心概念是將制作于同一基板的多顆微晶粒加以串接而成，因此使用絕緣基板確保微晶粒間的電性絕緣是高壓LED得以正常操作的基本條件。對(duì)于以氮化鎵（GaN）材料所成長的LED而言，由于所使用的藍(lán)寶石基板具備極佳絕緣特性，因此只要將微晶粒間的溝槽蝕刻至基板裸露，即可達(dá)到良好的電性絕緣。

　　此外，由圖3中可發(fā)現(xiàn)，雖然微晶粒間的絕緣溝槽是讓高壓LED得以正確運(yùn)作的必要結(jié)構(gòu)，但卻也使得高壓LED芯片整體的可發(fā)光面積縮減。雖然在概念上，越細(xì)窄的絕緣溝槽可增加高壓LED芯片的可發(fā)光面積，但相對(duì)也會(huì)提升制程的困難度。

　　圖3　高壓LED芯片SEM照片

　　絕緣溝槽的側(cè)壁須使用介電材料被覆保護(hù)，以避免金屬導(dǎo)線通過表面時(shí)，P-N材料間發(fā)生短路情況。但當(dāng)絕緣溝槽過于細(xì)窄時(shí)，無論使用化學(xué)氣相沉積或蒸鍍方式制作介電材料薄膜，均可能發(fā)生被覆不完全的情況，并導(dǎo)致微晶粒的P-N材料短路失效。同樣地，過于細(xì)窄的絕緣溝槽也會(huì)使得金屬蒸氣不易進(jìn)入，造成金屬導(dǎo)線薄膜的厚度過薄或甚至不連續(xù)，進(jìn)而導(dǎo)致高壓LED芯片的串聯(lián)電阻增加，或甚至有開路失效情況發(fā)生。

　　為提升介電材料與導(dǎo)線金屬薄膜的制程良率，將絕緣溝槽制作成為開口向上的倒梯形結(jié)構(gòu)是一可行方式。圖4中所顯示的傾斜側(cè)壁結(jié)構(gòu)除可提升微晶粒與高壓LED 的制程良率外，非矩形的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)微晶粒的光取出效率提升亦有幫助。此外，為避免金屬遮蔽降低高壓LED發(fā)光效率，鋪設(shè)于微晶粒間的金屬導(dǎo)線必須同時(shí)具備低阻抗與低光線遮蔽之特性。制作細(xì)且厚的金屬導(dǎo)線是達(dá)成上述目標(biāo)的方法之一，而使用透明金屬氧化物，如氧化銦錫（ITO）或氧化鋅（ZnO）等，做為導(dǎo)線材料亦是可行手段，兩者均有助提升高壓LED發(fā)光效率。

　　圖4　具傾斜側(cè)壁、倒梯形開口的微晶粒結(jié)構(gòu)

　　以下針對(duì)國內(nèi)外的HV LED技術(shù)研發(fā)現(xiàn)況，做一概略性的整理。