單片式白光LED的棱錐結構介紹

　　白光LED將驅動這項照明革命。傳統白光LED由發射藍光的晶片及由吸收藍光而放出黃光的螢光粉結合而成。這樣的裝置中，由混色而成的白光之發光效率受到限制。即使藍光晶片和螢光粉的效率都非常高，晶片放出光子的能量及實際被螢光粉吸收的能量間的差距，仍造成不可避免的能量損失。此外，使用螢光粉也有個實行上的缺點，將螢光粉涂布於LED晶片上將增加制造成本。

　　終極的解決方式就是單片式白光LED，發出多重光譜，如藍、黃或三原色。然而，制造這樣一個裝置相當具有挑戰。氮化銦鎵（InGaN）藍光LED在長波長下效率驟降，而磷化銦鎵（InGaP）紅光LED在短波長下則效率銳減，這些缺點合起來導致缺乏效率的綠光及黃光射極，稱為綠光能隙（green gap），阻礙了單片式白光LED的發展。

　　在三星的研究機構SAIT（Samsung Advanced Institute of Technology），我們已經著手開發另一種全新的LED結構，利用奈米級的棱錐結構來制造單片式白光LED，能順利解決綠光能隙的問題。

　　為何不用螢光粉？

　　高品質且價格實惠的LED燈泡是固態照明的終極目標。今日已可買到色彩品質佳且高發光效率的LED，但對消費者而言成本仍然太高。顯而易見的，大量生產可降低晶片成本，采用大尺寸矽晶圓能夠獲得更高的利潤。我們已經發展出這樣的技術，且最近已應用於藍光LED的生產，其在4寸及8寸矽晶片上以電流350mA驅動下可產生510mW的功率。但既然最終是要降低整個經營成本，比起降低制造成本，提升發光效率會更為有效。這是因為加強發光效率能帶來三個層面的效益；分別為對晶片而言可降低每流明的成本，對整個燈具而言能降低封裝成本，針對使用上而言可以降低耗電量。

　　晶片制造大廠的實驗室中，最佳的白光LED之發光效率超過200lm/W。在350mA驅動電流下，美國Cree公司創下發光效率231lm/W的記錄。紀錄無疑的仍會繼續往上增加，但能提升的空間不多了，因為螢光粉轉換白光LED（phosphor-converting white LED）的理論最大發光效率為263lm/W。

　　理論值限制之最大發光效率的關鍵因素是史托克轉換（Stokes shift）能量損失。當以藍光激發黃光螢光粉時該損失達20%，且當藍光被用以激發較長波長的螢光粉，如橘光螢光粉時，則該損失會更大。橘光螢光粉是被用來產生居住照明市場所需的暖白色調光源。利用混色方式所結合出的白光在發光效率上亦會產生限制，因人眼對綠色敏感，而傳統白光LED缺乏會對光源效率有很大的影響的綠光光譜。綜合此因素，對於廣泛的發光光譜結合螢光粉所發出的光，人眼對其光波長反應遲鈍；更糟的是，暖白光中的可見光則更嚴重。

　　去除波長的轉換可避開這些問題，且可增加理論最大發光效率到超過400lm/W。但建構這樣的裝置非常棘手，因為不只是制造一個能產生多色光之波長的單一晶片，并且要能發出高效率的的綠光、黃光、或甚至是紅光。

　單片式白光LED的障礙

　　氮化物LED的綠光能隙源自於富含銦氮化銦鎵的晶體品質不佳，以及三族氮化物在c平面上的極化性質所導致的。巨觀的極化現象於此材料中，引起垂直量子井平面的壓電場。壓電場在電子井中將電子與電洞拉開，導致自發輻射率的衰退，此現象稱為量子局限史塔克效應。