前言
最近幾年發光二極管(LED)的發光效率獲得大幅改善，由于發光二極管具備低消費電力與長壽命特征，一般認為未來發光二極管可望成為次世代省能源照明光源。長久以來發光二極管的發展動向一直備受全球高度期待，特別是使用高發光效率InGaN系發光層的藍光，以及使用綠光高輸出LED，與4 元系AlGaInP發光層的黃光、橙光、紅光的高輝度LED，頓時成為全球注目的焦點。
目前這些發光效率超越傳統熒光燈、白熱燈泡的LED已經陸續商品化，同時還持續拓展市場規模與應用領域。接著本文要深入探討廣泛應用在各種領域的4元系AlGaInP紅光LED芯片，高輝度技術與制作方法。
芯片特征
LED芯片屬于具備發光功能的二極管，它的外形尺寸大約只有0.2~1mm呈長方形。如圖1(b)所示商品化LED是將LED芯片固定在封裝基板與導線架上，鋪設金線后再以透明樹脂密封包覆。LED依照用途封裝成炮彈型、正面、側面出光表面型，以及考慮散熱性的大電力用燈泡型等各種形狀。
LED芯片本身也有許多種類，依照封裝組立方式的不同，LED芯片的結構也截然不同。此外LED芯片的尺寸必需根據使用電力選擇。圖1(a)是銅凸塊(Bump)方式，使用覆晶(Flip Chip Type)LED的斷面結構圖。LED的特性取決于LED芯片的發光性能、封裝后的取光效率、集光技術，因此芯片的高輝度化、封裝的高性能化、芯片與封裝的組合優化設計都非常重要。
化合物半導體與發光波長
圖2是LED發光層材質與發光波長的關系，如圖所示高輝度LED使用的InGaN系(紫外線~綠光)、AlGaInP系(黃綠光~紅光)、AlGaAs系(紅光~紅外線)材料，都是高發光效率化合物半導體結晶，這些半導體材料依照發光層的結晶組成，決定LED的發光波長。
圖3是從結晶基板一直到LED芯片的制作流程，如圖所示GaP多結晶使高純度鎵(Ga)與磷(P)原料，在高溫、高壓環境下反應形成GaP多結晶，接著將此高純度多結晶的原料，在高溫、高壓環境下溶解，與種晶接觸的同時一邊旋轉固化形成圓筒狀GaP單結晶錠(Ingot)，最后經過裁切、定厚加工、研磨加工，制成單結晶鏡面晶圓，一般LED用基板也是使用GaAs單結晶基板。
高輝度AlGaInP芯片的制作，分別使用GaAs長晶基板與GaP與黏貼用透明基板，由于這些基板的載子濃度、轉位密度、表面粗糙度，都會影響LED芯片的特性，因此必需作精密控制。接著在單結晶基板表面制作具備發光特性的單結晶多層膜，此制程又稱作「磊晶(Epitaxial)」的單結晶長晶制程，會決定LED芯片的發光效率、發光波長、電氣特性，因此必需透過已經長晶的化合物半導體層結構、結晶組成、載子濃度、膜厚的多層膜結構控制，形成具備發光功能的磊晶晶圓。磊晶的制作方法分成：厚膜法、適合量產的液相法、AlGaInP常用的薄膜法、適合制作多層膜的金屬有機物化學氣相沉積法(Metal Organic Chemical-Vapor Deposition; MOCVD)等等。
組件化(芯片化)制程主要是在磊晶晶圓上，制作n型與p型奧姆電極，最后再將已經制作奧姆電極的晶圓，裁切成0.3×0.3mm一定大小，制成晶粒狀LED芯片，此時為提高LED的輝度，組件化制程會采用各種獨自開發的技術制作。
AlGaInP LED芯片的高輝度化
LED芯片的發光效率取決于發光層的光線取出效率，為提高內部量子效率，發光層的材質、結構、質量優化、發光層的均勻電流供給、防止發光層的溫度上升，等細部設計非常重要，這意味著光線取出效率的提升，降低芯片內部光吸收、反射的光學設計與制作技術，成為關鍵性要因。接著依序介紹：(a)內部量子效率；(b)電流擴散；(c)發光層的溫升等可以提升AlGaInP LED芯片的發光效率的技術動向。
內部量子效率
提高內部量子效率，磊晶制程制成的發光層結構與結晶質量的控制非常重要。高輝度LED芯片的發光層結構， 大多利用相異半導體材料構成的異質(Hetero)接合，亦即利用半導體材料的能隙(Bandgap)差異提高發光效率。一般認定發光層薄膜、多層化的量子井結構， 與多重量子井結構(MQW: Multi Quantem Well)的發光效率最高。
為提高發光效率，要求可以精密控制經過優化設計的復雜多膜層長晶技術，雖然提高發光層的結晶質量，涉及量子井效率提升，不過基本上可以降低發光層不純物與結晶缺陷技術，以及異質接合界面等高度磊晶制作技術，一直是研究的焦點。
電流擴散
所謂電流擴散是指透過發光層結構與電極結構的設計，使電流擴散到芯片整體，藉此提供給發光層提高發光效率的技術。特別是AlGaInP LED芯片的磊晶層厚度很薄，從電極一直到發光層的厚度方向距離低于10μm，芯片的一邊卻是200μm以上電流不易擴散的形狀，因此設計上必需考慮電極的布局、磊晶層的電氣特性，才能促進電流擴散。
發光層的溫升
LED芯片使用的半導體材料，如果溫度上升發光效率會下降。圖4是一般發光二極管的施加電流與輝度的關系，由圖可知實際LED芯片若與理想特性比較，高電流領域的輝度明顯降低，主要原因施加電力會造成發光層的溫度上升，內部量子效率則明顯降低。
降低發熱量的最有效方法就是抑制施加電力，亦即減少LED芯片的順向電壓VF。如圖1(a)所示覆晶結構是提高散熱性，是抑制發光層的溫度上升方法之一，基本上它是使發光層產生的高熱從封裝基板側散熱，由于LED芯片內部的發熱，幾乎都是發光層產生，因此散熱特性取決于發光層到封裝基板的熱傳導率。AlGaInP覆晶芯片則是將芯片翻轉使用，它可以使發光層到封裝基板的距離縮短至10μm以下，而且還能夠以高熱傳導率金屬連接于大面積封裝基板，形成高散熱性LED結構。
AlGaInP LED芯片的高取光效率技術
最近幾年AlGaInP LED芯片的內部量子效率，隨著設計、加工技術的改良，已經達到實用化水平，特別是將光線從LED片內部取至外部的取光技術，更是突飛猛進。由于LED的取光技術涉及芯片本身的光吸收與內部反射特性，因此接著要依序介紹：(a)光吸收；(b)內部反射等影響AlGaInP LED芯片的取光效率的技術動向。
光吸收
圖5是AlGaInP LED芯片的斷面結構。AlGaInP是在格子整合的GaAs單結晶基板表面，利用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術制作磊晶。由于GaAs基板對可視光呈不透明狀，因此一般泛用AlGaInP LED芯片的斷面結構，如圖5(a)所示，朝發光層下方的光線會被GaAs基板吸收。
圖5(b)是利用黏貼GaP等透明基板，去除GaAs不透明基板，制作高輝度LED芯片的模型圖，由于這種結構使用透明基板，因此芯片內部的光吸收大幅降低，可以從芯片上方、側面有效取出光線。圖5(c)是在基板與發光層之間設置高反射率反射鏡(Mirror)，這種結構幾乎所有發光都從芯片上方取出，非常適合軸上輝度，亦即芯片上方光量的高輝度化要求。
利用以上技術降低光吸收的高輝度LED芯片，相較于傳統泛用LED芯片，它可以實現3倍以上的高輝度化。
內部反射
芯片內部的光線反射特性，根據光學領域有名的“Snell法則”可知，如果滿足折射率相異界面發生的全反射條件時，光線會在芯片內部反射無法取至外部。
AlGaInP LED系化合物半導體的折射率為3.5，密封LED芯片的環氧樹脂與硅樹脂的折射率為1.4~1.5，換句話說樹脂與芯片界面，大約有2倍左右的折射率差，因此在界面會發生內部反射。將光線從芯片取至外部時，光線的入射角幾乎與界面呈垂直狀，為防止內部反射，光學設計必需作界面附近的光線的入射角控制。具體方法例如將芯片形狀加工成具備多面體形狀，或是將芯片表面制成凹凸狀，等防止內部反射的改善技術。然而這些改善技術對外形尺寸低于1mm的LED芯片，加工上技術困難度卻非常高。
AlGaInP LED芯片的高輝度化技術重點共有3項，分別如下：提高發光層的內部量子效率、提高從從芯片內部取至外部的效率、高效率提供發光層電流的技術。
圖6是AlGaInP紅光LED的高輝度化技術動向，如圖所示LED基板從傳統光線吸收基板進化到透明基板，加上業者已經針對LED基板，進行上述三大技術改善，其結果使得LED的輝度3年大約提高2倍，08年全球最高發光效率80lm/W的AlGaInP LED也因而正式商品化。上述高輝度AlGaInP LED的輝度是傳統使用吸收基板AlGaInP系LED的10倍，今后可望在液晶背光照明模塊車燈、照明、信號燈、植物培育等領域拓展市場規模。
結語
以上介紹4元系AlGaInP紅光LED芯片高輝度技術與制作方法。發光二極管具備低消費電力與長壽命特征，長久以來它的發展動向一直備受全球高度期待，一般認為未來發光二極管可望成為次世代省能源照明光源。96年日亞化學的中村教授開發藍光LED芯片，白光要求的R、G、B三種光源總算全步到齊，從此揭開白光半導體發光組件新紀元。