2007-07-26/經濟日報/F8版/節能照明/洪瑞華
作者洪瑞華 為中興大學精密工程研究所所長
「能照明顧名思義即為節省能源的照明，近幾年環保意識抬頭，加上石油價格飆漲，以及固態光源發光二極體(LED)的盛行，自1995年Naka-mura博士克服氮化鎵磊晶問題，成功製做藍光LEDs後，LEDs的效率已從傳統0.1 lm/W，進展到現今120 lm/W，其發光顏色從早期微亮的紅、黃、綠光，只當做開關的燈泡，進展到超亮的紅、綠、藍三原色光源，甚至高效率白光。 由於LED消耗功率低，主要以直流電源驅動，特別是太陽電池的最佳搭檔，未來幾年，如何落實節能照明，此一小小光源將扮演重要角色。
高效能LED燈 省電低汙染壽命長
LED的主要材料是半導體，特別是三五族材料的化合物半導體，係以此磊晶技術堆疊成具發光的結構，並輔以後續元件製程，製成可通電後會發光的元件。比起發熱的鎢絲燈泡和充填水銀蒸氣的日光燈，LED燈有發光效能高、壽命長、省電及產品低汙染等優點。由於各種照明及光源市場龐大，先進國家對高效能LED的研發可用趨之若鶩形容。
就國內發展狀況而言，上中游磊晶片和晶粒以AlGaInP四元和GaN藍光材料為主且投入者約30家廠商。雖然以全球LED封裝產值來看，台灣市占率排名第二，但以LED產能來看，氮化物與四元產能同時位居全球第一大。其中，四元 (In-GaAlP) LED晶粒2005年1月產量達1, 250KK，占全球四元LED外售比重的80%以上，而藍光LED晶粒占全球比重約34.5%。以市場版圖的變化來看，2005年全球擴產幅度約21.3%，在大陸、美國、日本擴產增加下，國內廠商在廠商合併與價格不佳降低擴產速度下，台灣廠商產能占全球比重下降至34.5%，不過仍位居全球最大供應地區。
這些光電公司生產出來的藍光、藍綠光、綠光磊晶片，經過氮化鎵晶粒的標準製程後，或加入螢光粉等，所量得的LED 特性數據，都已和世界大廠的水準相當。儘管如此，以磊晶成長方式的LED仍面臨散熱不良與光取出率的問題。
鋁酸鋰基板替代藍寶石 降低成本40%
國內學術單位，除以磊晶結構的最佳化以提升發光二極體內部量子效率（中央大學與成功大學）外，近日更有中山大學研發成功鋁酸鋰基板，可望取代藍寶石基板，降低成本40%。此外，中興大學更提出以異於傳統製程方式「研製一圖型化之基板」以解決磊晶膜缺陷問題。也提出「以磊晶膜轉移技術與表面粗化製程開發高亮度發光二極體」，希望以異於傳統磊晶方式來提升發光二極體之外部量子效率。關於前者，學術界提供非以磊晶結構的方法，從基板的圖形化讓LED磊晶膜的缺陷從1010/cm2降至108/cm2，此ㄧ技術除缺陷降低外，對於往基板方向的光，入射至圖形化的藍寶石基板更可提升光散射的機會，有效提升光取出率。
關於後者技術，此一創新概念為「磊晶基板只是提供成長磊晶膜之暫時基板，當完成階段任務後，若能將磊晶膜貼在一功能強的永久基板，再將磊晶之基板移除，則磊晶膜製成的元件即不再受限於磊晶基板特性，反而LED磊晶膜之光電特性可完全發揮」。此一概念可創新研發出一種高亮度/高功率/大面積LED製程，即結合反射鏡與晶片黏貼技術或微電鑄的概念，將一具反射鏡的基板，利用晶片轉移技術，配合晶圓接合或微電鑄技術，將LED磊晶膜轉移至具反射鏡面的散熱基板，而後再將會吸光基板 (砷化鎵基板；適用於磷化鋁銦鎵系列的紅光磊晶膜)或散熱不良的基板 (藍寶石基板；適用於氮化鎵系列之藍/綠光磊晶膜)去除。
此一作法可徹底從圖型化基板的準備用以成長低缺陷的磊晶膜，藉以提升內部量子效率，而後從製程上提供一具表面粗化以利更多光可從LED內部取出、配合反射鏡功能與散熱基板的選用，提供一高效率/高功率之大晶粒功率型LED。以此作法，晶粒已可製作成1 mm2尺寸 (早期晶粒只能製作成350 um 350 um)，輸入電流於350mA(早期晶粒只能應用於20mA)，藍光可達350mW，此種晶粒可以1A電流驅動。此一作法，從晶粒本身即製作成高熱傳高散熱的結構，如此ㄧ來搭配後續應用的散熱封裝，能有效解決LED散熱問題，提供節能照明所需的LED光源，有效將電能轉換成光能。若家用白光大面積LED全面取代白熾燈泡或日光燈，成為主要照明光源後，家用照明燈具市場價格至少可下降五成，擁有10萬小時壽命的60瓦LED燈泡（可提供400 Lux）只要18美元左右，和壽命只有1,000小時的一般鎢絲燈泡，或1萬小時日光燈管（150W，只提供200 Lux）比較划算得多。
磊晶膜轉移技術
提升晶圓接合術可行性
另一方面，有鑑於白光照明為環保光源，近幾年來，學術界研發的投入與技術開發，已將研究與產業需求結合，不僅此一移花接木之磊晶膜轉移技術」可讓更多磊晶膜所發的光得以取出。更重要是由於此一技術結合國內LED產業上中下游與設備廠，使產業的相關技術同步開發，讓國內外更多LED光電廠相信晶圓接合技術的可行性，競相投入此相關技術的研發並成為業界顯學。過去我國在發光二極體專利數偏低，使得產品競爭力相對受限；近年來中興大學LED的相關技術擁有國內外30個以上專利，而國內其他學術界的LED 相關專利每年皆在成長中，可有效突破與保護國內LED產業，未來不論在產品銷售或技轉的權利金收取，均具有龐大的利基。
以往國內業界對學界的產學合作總是勉強抱著贊助心態，而業界研發工程師也往往覺得學校的研究成果直接拿來用即可，也沒有技術授權的義務。加上國內學界過去一直缺乏對專利與智權的整合經驗，因此，過去三年來中興大學研究團隊很努力透過各方面製程開發，贏得業界信任，也因此促成多項技術授權案，營造產學合作之新局面。相信此ㄧ模式可有效促進產學合作，讓「節能照明」的成效更為落實，實現多彩多姿、更具創意及符合節能需求的照明世界。
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