摆脱电源损耗宿命：HV LED点亮高效率光源

　　目前广泛使用的直流发光二极管（DC LED），若要经由市电供电，须外加交流对直流（AC-DC）整流器，易造成额外物料成本及能源转换损失，因此产业界已发展出以交流电直接驱动的高压LED（HV LED），可大幅提升LED照明系统的能源利用率和发光效率。

　　在传统照明光源中，发光效率最好的是日光灯，其光源本身的发光效率约65lm/W。用于镇流器的附加电路会造成13-20%的能源损耗，光源发光经过灯具的反射罩，其光源效率损耗约30-40%，因此在实际的照明应用环境下，日光灯的灯具照明发光效率约35lm/W。虽然光源自身发光效率高，但附加电路和灯具结构所造成的光损失，将会大幅降低灯源的发光效率。

　　目前已大幅应用在照明光源的高功率白光直流发光二极管（DC LED）（表1），其光源发光效率可达150lm/W。但DC LED是以直流电源驱动操作，若要使用在市电上，势必要外加交流对直流（AC-DC）整流器，电源转换将会造成20-30%的能源损耗，且驱动电路之体积也较为庞大，灯具设计弹性相对会受到限制。

　　台湾自主性研发的高压（HV）LED技术产品，仅需简易的外加驱动电路，即可直接以市电110伏特（V）/220V驱动操作，并具备90%高功率因数 （PF）、95%高能源利用率、高发光效率等优点。目前已于国际上取得发展先机，国内厂商晶元光电已陆续将HV LED晶粒产品出货给国外各家LED封装及应用大厂使用，国内也有多家相关厂商投入HV LED照明光源产品的开发，是为未来照明光源主流趋势。

　　迥异DC LED 驱动方式　HV LED特性和设计大相迳庭

　　高压LED是以半导体制程方式，将多颗微晶粒置于同一基板上，再加以串接而成，其所需之制程技术与传统LED十分近似。然而，由于驱动方式的不同，特别是在交流电驱动条件下，高压LED的特性和设计方向与传统LED有显着差异。

　　图1为高压LED芯片结构示意图。多颗制作于同一基板的微晶粒间以金属导线连结串接，而高压驱动电流则经由末端的两个打线垫片进入微晶粒串。由图2的微晶粒结构侧视图中，则可发现单颗微晶粒的结构与传统LED间主要的差异，仅在于尺寸的不同，其他包括透明导电层、表面粗糙化、图案化蓝宝石基板等可提升传统 LED效率的技术，也同样适用于高压LED。

　　图1　高压LED结构上视图

　图2　成长于蓝宝石基板的GaN微晶粒侧视结构图

　　高压LED与传统LED芯片两者在制程上的主要差异点在于绝缘基板的使用、绝缘沟槽的蚀刻及金属导线的制作。高压LED的核心概念是将制作于同一基板的多颗微晶粒加以串接而成，因此使用绝缘基板确保微晶粒间的电性绝缘是高压LED得以正常操作的基本条件。对于以氮化镓（GaN）材料所成长的LED而言，由于所使用的蓝宝石基板具备极佳绝缘特性，因此只要将微晶粒间的沟槽蚀刻至基板裸露，即可达到良好的电性绝缘。

　　此外，由图3中可发现，虽然微晶粒间的绝缘沟槽是让高压LED得以正确运作的必要结构，但却也使得高压LED芯片整体的可发光面积缩减。虽然在概念上，越细窄的绝缘沟槽可增加高压LED芯片的可发光面积，但相对也会提升制程的困难度。

　　图3　高压LED芯片SEM照片

　　绝缘沟槽的侧壁须使用介电材料被覆保护，以避免金属导线通过表面时，P-N材料间发生短路情况。但当绝缘沟槽过于细窄时，无论使用化学气相沉积或蒸镀方式制作介电材料薄膜，均可能发生被覆不完全的情况，并导致微晶粒的P-N材料短路失效。同样地，过于细窄的绝缘沟槽也会使得金属蒸气不易进入，造成金属导线薄膜的厚度过薄或甚至不连续，进而导致高压LED芯片的串联电阻增加，或甚至有开路失效情况发生。

　　为提升介电材料与导线金属薄膜的制程良率，将绝缘沟槽制作成为开口向上的倒梯形结构是一可行方式。图4中所显示的倾斜侧壁结构除可提升微晶粒与高压LED 的制程良率外，非矩形的几何结构对微晶粒的光取出效率提升亦有帮助。此外，为避免金属遮蔽降低高压LED发光效率，铺设于微晶粒间的金属导线必须同时具备低阻抗与低光线遮蔽之特性。制作细且厚的金属导线是达成上述目标的方法之一，而使用透明金属氧化物，如氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）等，做为导线材料亦是可行手段，两者均有助提升高压LED发光效率。

　图4　具倾斜侧壁、倒梯形开口的微晶粒结构

　　以下针对国内外的HV LED技术研发现况，做一概略性的整理。

　　突破微晶粒制程桎梏挑战　台湾取得HV LED发展先机

　　台湾自主性HV LED技术，是以高压直流或交流电等形式直接驱动LED，突破微晶粒制程技术，发展出具有高电压低电流操作优点的HV LED产品，大幅提升LED晶粒之发光效率，并在国际市场上取得了技术发展先机。此技术结合简易的驱动电路，即可有效提升能源转换和使用效率，并可应用于小型化设计的照明应用，大幅提升LED应用产品的可塑性。

　　工研院已将相关微晶粒开发专利技转国内LED大厂晶元光电，使其拓展至HV LED领域，并成功开发出具备高发光效率的HV LED芯片，陆续与国际LED知名大厂及国内如亿光、葳天、福华、光宝等LED封装厂进行合作，推出HV LED相关应用照明产品（表2）。

　　目前国内HV LED晶粒是采用单芯片式的微晶粒结构组合设计，可量产的晶粒蓝光效率可达430mW/W；若制作成白光发光元件，则白光效率可达130lm/W。依据产品现况及未来开发规画，预计至2014年年底，HV LED晶粒效率可达600mW/W，白光效率将可达到180lm/W。

　　加紧投入研发　外商HV LED技术迭有进展

　　以下将介绍国外LED厂商发展HV LED的现况。

　　Philips Lumileds

　　该公司第一代高压式LED Luxeon H50-1（50V）型号封装元件（图5），于85℃操作环境下，投入电力为1W，其发光通量可达67 lm。

　图5　Philips Lumileds所开发的HV LED元件

　　其后发表的Luxeon H（100V与200V）型号封装元件，于85℃操作环境下，投入电力为4W，其发光通量可达360lm。

　　2012年发表的新一代HV LED封装元件Luxeon H50-2，可操作于环境温度85℃，以50V电源为驱动条件，其操作瓦数为2W，光源色温5，000K，元件的光通量可达205lm，光源色温 2，700K，元件的光通量可达165lm；操作于室温环境25℃，光强度约略可提升至1.1倍，相对于输入电压电流光强度呈直线增加。

　　上述产品透过简易的高压芯片组合，拟克服传统DC LED搭配驱动电路之体积过于庞大，且使得设计难度受限的问题，有效缩小灯具体积，且提升照明灯具之设计弹性，如常见的球泡灯、蜡烛灯及吊饰灯，俨然已朝向新一代LED照明元件之发展方向迈进。

　Cree

　　美国科锐（Cree）于2011年推出高压驱动的HV LED封装元件XLamp XM-L及XT-E（图6），可操作于环境温度85℃，以46V电源为驱动条件，其操作瓦数分别为2W及1W，光源色温5，000K，元件的光通量分别可达240lm及114lm；光源色温2，700K，元件的光通量分别可达172lm及87lm；操作于室温环境25℃，光强度约略可提升至1.15倍，相对于输入电压电流，光强度呈直线增加。

　　图6　Cree所开发的HV LED元件

　　Cree之高压LED产品，提供一种封装尺寸更小之选择，搭配转换效率较高的高压驱动电路，有效的减少驱动所造成的损耗，HV LED可套用于空间受限之照明应用上，诸如B10、GU10和E17等小型灯泡产品，大幅提升产品的可应用範围及使用弹性。

　　首尔半导体

　　韩国首尔半导体（Seoul Semiconductor）推出的Acrich2光源模组（图7、8），依据使用者需求选择分为120V或220V两种操作型号，其操作瓦数为 4.3W，光源色温5，000K，元件的光通量可达320lm；光源色温4，000K，元件的光通量可达310lm；光源色温2，700K，元件的光通量可达290lm。

　　图7　首尔半导体所开发的HV LED光源模组

　　图8　首尔半导体所开发的AC/HV LED光源模组电路等效示意图

　　首尔半导体之高压交流LED产品，直接于封装上整合驱动IC元件，因此光源模组可直接操作在交流电压的环境下，不须外加电源转换器或驱动电路，可直接应用在照明产品上，提升下游厂商的使用便利性。其中的驱动IC，结合多段式切换控制的设计，可于较低电压操作区间即可启动部分的HV LED元件，因此提升整个光源模组的功率因数，这将有助于减少能源损耗，提升整体光源效率。此外，由于将电路整合于驱动IC元件上，整体HV LED光源模组使用的外部元件大幅减少，光源模组的可靠度将能够提升，使得整体操作寿命更接近于LED操作寿命之理论值。

　HV LED适用中功率光源

　　HV LED照明光源有几个竞争产品，分别是有机发光二极管（OLED）、被动式有机发光二极管（PLED）、DC LED和AC LED。

　　由于相关替代性产品如OLED及PLED，挟带着低直流电压、均匀面发光、发光效率可达80lm/W和60lm/W等优点，準备进攻显示器及背光源的市场，在技术及实用性可与现有的LED匹敌。但这类替代产品目前发光效率尚不及LED，因此整体而言，尚无较明显的威胁性产生。

DC LED以直流电流源驱动（图9），其元件具备体积小、发光效率高等诸多优点，可应用于显示、车用、指示、装饰及照明等广泛的应用领域，惟须外加交直流电源转换电路，使得