工程与生活

工程與生活光電半導體元件簡介郭艷光Yen-KuangKuo彰化師大物理系暨光電科技研究所教授兼彰化師大理學院院長電子郵件:[e-mail]網頁:–藍光雷射實驗室1997年12月底向彰化師大校長提出「藍光雷射計畫」，提議研發半導體雷射，獲得800萬元經費補助，成立「藍光雷射實驗室」。除了半導體雷射之外，還帶領學生從事發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)、太陽能電池(SolarCell)的研究工作。2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師3課程大綱半導體雷射(LD)發光二極體(LED)有機發光二極體(OLED)太陽能電池(SolarCell)2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師4AlbertEinstein(1879–1955)愛因斯坦相對論E=mc2受激放射2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師5光子與電子之間的交互作用ProcessBeforeAfterExampleEVEClEVECPhotodetectorSolarCellAbsorptionEVEClEVECSpontaneousEmissionLight-EmittingDiodeOLEDEVECEVECStimulatedEmissionLaserDiodeSemiconductorLaserl1l1l2(inphase)2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師6雷射原理與雷射系統的發明1958年，A.L.Schawlow與C.H.Townes第一次詳細描述在光學頻段的雷射效應(Phys.Rev.112,1940,1958)。1960年，Maiman發明人類第一具雷射：紅寶石(Cr3+:Al2O3)雷射(Nature187,493,1960)。2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師7LASER的原文LASERistheabbreviationof『LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation』Taiwan雷射(取其音)China激光(取其意)2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師8雷射光直行且不易發散2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師9雷射的應用日常生活中，我們常常接觸到雷射1.雷射指示器2.在電腦或音響組合中用來讀取光碟資料的光碟機3.在工業上，雷射常用於切割或微細加工4.在軍事上，雷射被用來攔截導彈5.科學家利用雷射非常準確地測量地球和月球的距離，誤差只有幾厘米。2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師10雷射系統的基本元素激發系統鏡片(全反射)鏡片(部分穿透)活性介質雷射光2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師11雷射的種類與典型範例1)GasLasers(氣態雷射)He-NeLaser,Ar+Laser,CO2Laser,N2Laser,…2)LiquidLasers(液態雷射)OrganicDyeLasers,…3)Solid-StateLasers(固態雷射)RubyLaser,Nd:YAGLaser,Nd:GlassLaser,…4)SemiconductorLasers(半導體雷射)AlGaAs,InGaAsP,AlGaInP,InGaN,InGaAsN,…5)OtherLasers(其他雷射)ChemicalLaser,Free-ElectronLaser,…2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師12側射型雷射(Edge-EmittingLaser,EEL)基板np活性區自然斷裂面2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師13發光二極體(LED)的應用TFTLCD背光光源單色/彩色顯示器白光與各色燈泡汽機車照明與指示燈驗鈔筆/驗鈔機2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師14LED基本結構與發光機制電子與電洞經由n態與p態電極注入LED元件。電子與電洞在活性層結合，多餘的能量以光的型態釋出。2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師15LED發光效率的演進過程2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師16明日之星白光LED日本通產省(MITI)於1998年4月開始執行「21世紀照明計劃」，預計5年內投資50億日圓(約為美金4仟萬元)，結合日本30多家廠商，發展GaN為主之白光源，預定2010年達成120流明/瓦為長程目標。美國1999年10月提出「發展半導體照明光源白皮書」，規劃10年內投入5億美金發展白光LED。2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師17照明設備的演化過程LED即將扮演重要的角色!!2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師18LED於車用產品之應用2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師19白光LED的應用(頭燈與相機照明)2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師20白光LED的應用2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師21光電半導體材料IV:Photo-detectorIII-V&II-VI:LED/LD&Photo-detectorIIIIIbIIIIVVVI3Li4Be5B6C7N8O11Na12Mg13Al14Si15P16S19K20Ca30Zn31Ga32Ge33As34Se37Rb38Sr48Cd49In50Sn51Sb52Te55Cs56Ba80Hg81Tl82Pb83Bi84Po2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師22可見光區的光電半導體材料波長(奈米)300400500600700AlGaAs砷化銦鎵AlGaInP磷化鋁鎵銦InGaN氮化銦鎵2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師23紅光至黃綠光用AlGaInPLED為了讓AlGaInPLED薄膜長在GaAs基板上晶格可以匹配，In的含量必須佔第III族原子的50%。化學式為(AlxGa1-x)0.5In0.5PAlGaInPLED直接能隙與間接能隙曲線在555nm交叉，發光波長在570nm(黃綠光)與650nm(紅光)之間時，發光效率相當好。交通號誌燈所使用的紅光及黃光LED均為AlGaInPLED。2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師24人眼對光之敏感度頻譜00.20.40.60.81400450500550600650700750violetbluegreenyelloworangeredPhotonicLuminousEfficiencyWavelength(nm)Humaneyesaresensitivetogreenlight(~555nm),andhencethedevelopmentofgreen(oryellowishgreen)AlGaInPLEDisdesirable.2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師25黃綠光至紫外線用InGaNLEDInGaNLED沒有晶格匹配的基板，大部分長在不導電的藍寶石(Al2O3)基板上。可以導電的碳化矽(SiC)也是不錯的InGaNLED基板，不過因為價格昂貴，較少被業界採用。InGaNLED發光範圍橫跨整個可見光區與紫外線，但是黃綠光到紅光(570nm~650nm)這一個波段，目前還無法和AlGaInPLED做商業性的競爭。2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師26InGaNLED的元件結構p-Electroden-Electrodep-GaNp-AlxGa1-xNInyGa1-yNn-AlzGa1-zNn-GaNGaNBufferLayerSapphireSubstrate正負電極都在基板的上方!!2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師27AlGaInP與InGaNLED的磊晶方法目前商業生產大多使用MOCVD(化學氣相沉積法)成長LED與半導體雷射，因為長晶速度快。MBE(分子束磊晶法)長晶品質佳，但長晶速度較慢。在學術界MOCVD與MBE都有不少人在使用。2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師28TheClusterlab600ResearchMBESystem國立彰化師範大學奈米科技中心已於2005年6月購入乙台MBE!2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師29LED應用範圖與發展趨勢資料來源：DigiTimesResearch，2006/62010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師302006~2008年全球LED應用市場分佈就應用領域分析，手機為LED最主要應用市場，但市場佔有率呈現下滑趨勢，反倒是在照明及汽車領域有明顯成長。資料來源：工研院IEK，2009/22010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師312002~2008年全球LED市場規模2005年高亮度LED市場受到產品單價持續下滑，及大尺寸背光模組等新興市場成長不如預期影響，市場僅呈現微幅成長，較2004年微幅成長約7%。2008年初全球能源價格高漲，具有節能優勢的LED成為大眾所看好的明星產業，然而受到全球金融海嘯影響，市場需求瞬間冷凍，導致產品單價巨幅下滑，2008年全球LED市場只微幅成長3%。資料來源：工研院IEK，2009/22010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師32全球LED市場值預估一方面LED照明開始進入街燈市場，此外，在筆記型電腦、甚至液晶電視市場，LED背光模組採用的比例將不斷提高。因此，根據KoreaPhotonicsTechnologyInstitute預測，2010年全球LED市場值將可達324億美元。資料來源：KoreaPhotonicsTechnologyInstitute，科技政策研究與資訊中心—科技產業資訊室整理，2009年03月2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師33LED螢幕-北京奧運資料來源：，在地上那幅卷軸不斷轉動，這就是LED螢幕所做出的效果，這個螢幕長147公尺、寬36公尺，上面有4萬4千顆LED燈，藉由電腦動畫，幻化出各種不斷流動圖案，這個螢幕經過測試，完全經得起表演人員踩踏及水淹考驗。2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師34LED應用於可彎曲螢幕資料來源：D.StevensonandC.Conway,BeckmanInstitute,UniversityofIllinois，2009年08月左圖：科學雜誌（Science）發表了一篇關於LED的突破性研究，不僅達到超薄、超小且具易曲性，並且可以應用在筆記型電腦螢幕、甚至醫學影像裝置。右圖：將晶圓上的LED直接列印在基板上，這些LED之間能夠互連。2010/04/09工程與生活--光電半導體元件簡介/物理系郭艷光老師35液晶顯示器(LCD)的種類與原理依驅動方式分類：可分為單純矩陣驅動、主動矩陣驅動