臺(tái)灣的鉆石科技中心(Diamond Technology Center，DTC)以類鉆碳(Diamond Like Carbon，DLC)的鍍膜取代印刷電路板上環(huán)氧樹脂的絕緣2層，可使現(xiàn)行LED 的照明產(chǎn)品(如路燈)的壽命大幅延長。DTC 又發(fā)展出鉆石島外延片(Diamond Islands Wafer，DIW)做為生產(chǎn)超級(jí)LED" title="超級(jí)LED">超級(jí)LED 的基材。超級(jí)LED 可發(fā)出極強(qiáng)的紫外光(Ultraviolet Light，UV)，其強(qiáng)度不因高溫而降低，反而會(huì)更亮。超級(jí)LED 的半導(dǎo)體，包括鉆石、立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，cBN)及氮化鋁(AlN)等具有極寬的能隙，甚至能制成固態(tài)的UV Laser，其光能密度將遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的氣體(如Eximer)雷射。
光的革命
本世紀(jì)開始就啟動(dòng)了光的革命， 已經(jīng)用了百餘年的白熾燈(Incandescent Lamp)及螢光燈(Fluorescent Lamp)即將走入歷史。就在未來的幾年，LED 發(fā)光將成照明(如路燈)及顯示(如電視)的主流。2009 年全球LED 的總產(chǎn)值約76 億美元，日本為產(chǎn)值第一的國家，臺(tái)灣則為產(chǎn)量最大的地區(qū)(圖1)。
圖1：LED產(chǎn)量年年攀高(點(diǎn)擊查看原圖)
臺(tái)灣為半導(dǎo)體的制造王國，也擁有最多的MOCVD 長晶機(jī)臺(tái)。臺(tái)灣在這一波光革命的浪潮乘勢(shì)沖高，已成為LED 最多芯片的生產(chǎn)主國。但就像是過去的光盤及現(xiàn)在的DRAM 必須付出昂貴的權(quán)利金一樣，LED 的專利也受制于外國公司(圖2)。“微笑曲線”使國外大公司專利產(chǎn)生的利潤遠(yuǎn)大于臺(tái)灣辛苦生產(chǎn)LED 的價(jià)值。
圖 2：世界LED 專利的交互授權(quán)已把臺(tái)灣的制造者邊緣化(點(diǎn)擊查看原圖)
鉆石科技
臺(tái)灣的半導(dǎo)體制造技術(shù)雖受制于人，但半導(dǎo)體材料最極致的鉆石產(chǎn)品卻獨(dú)步全球。中國砂輪企業(yè)股份有限公司(Kinik Company)與宋健民博士合作(Joint Venture)的鉆石科技中心(Diamond Technology Center，DTC)在1999 年推出世界首創(chuàng)的鉆石陣(DiaGrid) 鉆石碟，早成生產(chǎn)集成電路必用「化學(xué)機(jī)械平坦化」(Chemical Mechanical Planarization，CMP)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(圖3)。DTC 的專利也曾逼退3M，更曾授權(quán)美國、日本及中國的主要鉆石產(chǎn)品公司。
圖3：早成生產(chǎn)集成電路必用“化學(xué)機(jī)械平坦化”的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(點(diǎn)擊查看原圖)
臺(tái)灣的鉆石科技中心(Diamond Technology Center，DTC)以類鉆碳(Diamond Like Carbon，DLC)的鍍膜取代印刷電路板上環(huán)氧樹脂的絕緣2層，可使現(xiàn)行LED 的照明產(chǎn)品(如路燈)的壽命大幅延長。DTC 又發(fā)展出鉆石島外延片(Diamond Islands Wafer，DIW)做為生產(chǎn)超級(jí)LED 的基材。超級(jí)LED 可發(fā)出極強(qiáng)的紫外光(Ultraviolet Light，UV)，其強(qiáng)度不因高溫而降低，反而會(huì)更亮。超級(jí)LED 的半導(dǎo)體，包括鉆石、立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，cBN)及氮化鋁(AlN)等具有極寬的能隙，甚至能制成固態(tài)的UV Laser，其光能密度將遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的氣體(如Eximer)雷射。
光的革命
本世紀(jì)開始就啟動(dòng)了光的革命， 已經(jīng)用了百餘年的白熾燈(Incandescent Lamp)及螢光燈(Fluorescent Lamp)即將走入歷史。就在未來的幾年，LED 發(fā)光將成照明(如路燈)及顯示(如電視)的主流。2009 年全球LED 的總產(chǎn)值約76 億美元，日本為產(chǎn)值第一的國家，臺(tái)灣則為產(chǎn)量最大的地區(qū)(圖1)。
圖1：LED產(chǎn)量年年攀高(點(diǎn)擊查看原圖)
臺(tái)灣為半導(dǎo)體的制造王國，也擁有最多的MOCVD 長晶機(jī)臺(tái)。臺(tái)灣在這一波光革命的浪潮乘勢(shì)沖高，已成為LED 最多芯片的生產(chǎn)主國。但就像是過去的光盤及現(xiàn)在的DRAM 必須付出昂貴的權(quán)利金一樣，LED 的專利也受制于外國公司(圖2)。“微笑曲線”使國外大公司專利產(chǎn)生的利潤遠(yuǎn)大于臺(tái)灣辛苦生產(chǎn)LED 的價(jià)值。
圖 2：世界LED 專利的交互授權(quán)已把臺(tái)灣的制造者邊緣化(點(diǎn)擊查看原圖)
鉆石科技
臺(tái)灣的半導(dǎo)體制造技術(shù)雖受制于人，但半導(dǎo)體材料最極致的鉆石產(chǎn)品卻獨(dú)步全球。中國砂輪企業(yè)股份有限公司(Kinik Company)與宋健民博士合作(Joint Venture)的鉆石科技中心(Diamond Technology Center，DTC)在1999 年推出世界首創(chuàng)的鉆石陣(DiaGrid) 鉆石碟，早成生產(chǎn)集成電路必用「化學(xué)機(jī)械平坦化」(Chemical Mechanical Planarization，CMP)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(圖3)。DTC 的專利也曾逼退3M，更曾授權(quán)美國、日本及中國的主要鉆石產(chǎn)品公司。
圖3：早成生產(chǎn)集成電路必用“化學(xué)機(jī)械平坦化”的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(點(diǎn)擊查看原圖)
DTC 發(fā)展出一系列的鉆石鍍膜，其中包括CVD 及PVD(圖4)。
圖4：DTC披覆類鉆碳(Diamond Like Carbon，DLC)的技術(shù)示意(點(diǎn)擊查看原圖)
DTC 的鉆石科技可提升LED 設(shè)計(jì)的視野。DTC 對(duì)LED 的上、中、下游都有對(duì)應(yīng)的鉆石產(chǎn)品，可以使臺(tái)灣未來的LED 產(chǎn)品加上鉆石價(jià)值而獨(dú)步全球(圖5)。
圖5： 圖示DTC 發(fā)展超級(jí)LED 的設(shè)計(jì)例子(點(diǎn)擊查看原圖)
鉆石電路板
LED 的亮度會(huì)隨溫度的升高而降低，而其壽命更會(huì)急據(jù)縮短。目前LED 的下游散熱片多以鋁片制成，其上的銅制電路乃以絕熱的環(huán)氧樹脂(Epoxy)隔開絕緣。環(huán)氧樹脂的熱傳導(dǎo)係數(shù)(0.5 W/mK)比鋁(275 W/mK)低數(shù)百倍，LED 芯片產(chǎn)生的熱乃久聚難散。DTC 以比銅熱傳導(dǎo)係數(shù)(400W/mK)更高的DLC(500 W/mK)絕緣銅導(dǎo)線，因此可以達(dá)到顯著的冷卻效果(圖6～圖14)。DLC 披覆的印刷電路板(Print Circuit Board，PCB)，已經(jīng)供應(yīng)給臺(tái)灣多家的LED 制造廠家，更將和中國的海安晶鉆公司合作量產(chǎn)。
圖 6：以熱閃(Laser Flash)(ASTM E-1461DIN)量測(cè)的熱擴(kuò)散率(Thermal Diffusivity)顯示DLC 遠(yuǎn)高于銅泊。(點(diǎn)擊查看原圖)
圖 7：披覆DLC 的PCB 在加電20 分鐘后不同LED 的表面溫度差異＜ 1℃。未披覆DLC 者溫差可達(dá)3℃(350 mA)或9℃(1000 mA)。(點(diǎn)擊查看原圖)
圖 8：DLC 散熱的剖面顯示LED 的溫度梯度明顯降低，熱流由芯片迅速流向邊緣(點(diǎn)擊查看原圖)
圖 9：高功率(＞ 5W)LED 的DLC PCB(DTC 產(chǎn)品)。(點(diǎn)擊查看原圖)
圖 10：DLC 鍍膜可戲劇性的減小鋁板的熱阻。(點(diǎn)擊查看原圖)
圖 11：DLC PCB 的熱阻，不僅最小，而且不隨LED 功率的提高而增加(點(diǎn)擊查看原圖)
圖 12：DLC 披覆的PCB 可提升紅、綠、藍(lán)LED 的亮度(點(diǎn)擊查看原圖)
圖 13：DLC 披覆的PCB 制成LED 路燈的散熱效果(點(diǎn)擊查看原圖)
圖14：DLC 披覆PCB 的快速散熱可有效減緩LED 亮度的衰減(點(diǎn)擊查看原圖)
通常導(dǎo)熱快的材料(如金屬)其熱輻射的比率奇低(＜ 1%)，而熱輻射高的材料(如塑料)其熱傳導(dǎo)率甚低(＜ 1 W/mK)。DLC 卻可集魚與熊掌于一身，可以高速導(dǎo)熱及輻射。事實(shí)上，DLC 像是黑體(Black Body)一樣可在常溫以遠(yuǎn)紅外線(如10 μm 的波長)把熱輻射給空氣的分子。上述的DLC PCB 若在暴露面(如背面)加鍍一層DLC，這樣LED 的熱就可持續(xù)射向空
氣，有如披上了原子風(fēng)扇(Atomic Fans)的外衣。
LED的中間散熱層
LED 的芯片也可以覆晶(Flip Chip)方式軟焊(Solder)到硅片的支撐體(Submount)，再接合到PCB 上。由于硅的熱傳導(dǎo)率(150 W/mK)比鋁(250W/mK)還低，因此高功率LED 產(chǎn)生的熱會(huì)被硅片擋住。披覆DLC 的硅片可以很輕松的成為熱透(HeaThruTM)界面，降低了LED 的接口(Junction)溫度(圖15～圖16)(文獻(xiàn)1)。
圖15：LED 硅片Submount 披覆DLC 比SiO2 降溫更多也更快。電流越大時(shí)，DLC 的冷卻效果更顯著。(點(diǎn)擊查看原圖)
圖 16：DLC 披覆的Si Submount 外延片(6 吋)(DTC 產(chǎn)品)可直接軟焊到LED覆晶(Flip Chip)的外延片上。(點(diǎn)擊查看原圖)
DTC 更將和晶鉆合作開發(fā)含硼鉆石(Boron Doped Diamond，BDD)的支撐體。BDD 乃以直流電弧(DC Arc)的化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition CVD)形成。由于BDD 可導(dǎo)電，因此可直接成為LED 的電極，這樣LED 就可縮小面積，組成垂直的迭層(Vertical Stacks)。垂直LED 芯片比傳統(tǒng)的橫向電流芯片發(fā)光效率更高。
鉆石膜散熱
DLC 的散熱效果雖佳，多晶鉆石膜的熱傳導(dǎo)率(1200 W/mK)卻可更加倍增，使其冷卻GaN 芯片的效果更為突顯(圖17)。
圖 17：CVD 多晶鉆石膜外延片的外觀(中砂目錄)及其用于冷卻GaN 的效果(點(diǎn)擊查看原圖)
若 LED 要以披覆多晶鉆石膜的硅晶快速散熱，鉆石外延片可先和LED外延片焊合，再剝離藍(lán)寶石基材制成鉆石膜貼合的LED 芯片(圖18)。
圖 18：具鉆石基板之LED 制作流程示意(點(diǎn)擊查看原圖)
多晶鉆石膜冷卻LED 的效果卓著，而且隨LED 電流的加大其抑制熱點(diǎn)的能力更強(qiáng)(圖19)。因此以鉆石膜為底的LED 亮度可以大幅提高。
圖 19：多晶鉆石膜的有效降溫可明顯提升LED 的亮度(點(diǎn)擊查看原圖)
單晶鉆石襯底的GaN
在高溫(e.g.1200℃)下單晶鉆石可藉AlN 過渡而長出GaN 磊晶。由于單晶鉆石的熱傳導(dǎo)率可比多晶倍增，單晶鉆石底GaN 的散熱效果會(huì)比前述的多晶鉆石膜更加明顯(圖20)。
圖 20：單晶鉆石(Ib)上磊晶GaN 的發(fā)光效果(點(diǎn)擊查看原圖)
氮化鋁LED
材料有所謂的超硬材料(Superhard Materials)，包括鉆石及立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，cBN)。超硬材料的晶格剛性超大，以致聲子(Phonon)的傳遞超快，所以超硬材料就成了超聲材料。由于聲音可以振動(dòng)快速傳遞能量，超硬材料也是超導(dǎo)熱材料，可將熱能迅速排除。
超硬材料具有極高的能隙(Band Gap)，它們和AlN 屬于超級(jí)LED 的半導(dǎo)體，可制成超高功率的紫外線LED。LED 要升級(jí)必須汰舊換新，改用更寬能隙(Wider Band Gap)的發(fā)光材料。目前的LED 的芯片乃以GaN 為主流，GaN 與AlN 為異質(zhì)同相(Isostructural Compounds)，它們可形成共溶體(Solid Solution)的混晶(Mixed Crystal)。AlN 具有更寬的能隙(6.2 eV)，可以電激發(fā)光(Electro Luminescence，EL)發(fā)射出深紫外線(波長約210 nm)(表1)。
表1：LED 的半導(dǎo)體特性比較
(點(diǎn)擊查看原圖)
在 GaN 的晶格里逐漸以Al 取代Ga 可過渡至AlN，在這個(gè)過程中LED 的發(fā)光會(huì)由藍(lán)變紫，最后進(jìn)入紫外線的領(lǐng)域(圖21)。
圖 21：GaN 的晶格內(nèi)置換Al 可使LED 發(fā)光的波長縮短至深紫外線(Deep UV)(點(diǎn)擊查看原圖)
AlN 和SiC 的晶格接近，AlN/SiC 的LED 已經(jīng)制成雛形(圖22～圖23)，但因沒有適當(dāng)?shù)耐庋悠?，目前難以生產(chǎn)。但以下述的鉆石島外延片(Diamond Islands Wafer，DIW)可解決這個(gè)制造難題。
圖 22：AlN LED 的結(jié)構(gòu)及其電激發(fā)光的波形(點(diǎn)擊查看原圖)
圖 23：AlN 可激發(fā)出波長為210 nm的深紫外線(點(diǎn)擊查看原圖)
cBN LED
氮化鋁和纖鋅礦(Wurtzite)的氮化硼(wBN)也是異質(zhì)同相，而閃鋅礦(Sphalerite)的氮化硼，即立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，cBN)則與wBN為同素異形體(Isochemical Allotropes)。cBN 為更高頻的發(fā)光體，可電激射出超短波(約200 nm)的紫外線(圖24～圖25)。
圖 24：cBN LED 的設(shè)計(jì)及Mg 染質(zhì)cBN 的載子濃度(點(diǎn)擊查看原圖)
圖 25：cBN 染質(zhì)的I-V 曲線(點(diǎn)擊查看原圖)
cBN 的同素異形體hBN 為二維(平面)的半導(dǎo)體。它的能隙為5.97eV，而其電激發(fā)光的波長為 215 nm(圖26)。hBN 的原子以C 取代可制N型半導(dǎo)體，而以Be 取代則成為P 型半導(dǎo)體。
圖 26：hBN 的發(fā)光波形，其尖峰波長為215 nm(點(diǎn)擊查看原圖)
AlN on Diamond
單晶的AlN 目前并無外延片可供商業(yè)化生產(chǎn)，但它可由硅外延片長出GaN 磊晶，再經(jīng)Al/Ga 的置換過渡至AlN 的磊晶。然而硅的原子間距比GaN 大得多，因此生成的GaN 晶格缺陷很高(如109/cm2)，降低了LED 的內(nèi)部量子效應(yīng)。但在硅之上先沉積一薄層(如10 nm)非晶(Amorphous)的InN 則可使GaN 磊晶的應(yīng)力大減，有助于其晶格缺陷密度的降低。另一個(gè)方法乃以立方晶系的TiN(六方晶系的ZnO 也可長在Sapphire 基材上成為中間層)做為中間層。TiN 及ZnO 和GaN 的晶格相當(dāng)匹配(Mismatch ＜2%)，這種中間層可有效的降低GaN 晶格的缺陷密度。此外，以石墨層(Graphene)做為中間層，也是一個(gè)有效方法。石墨層為二維的晶格，它可在第三維變形，這樣就能彈性調(diào)整配合其它半導(dǎo)體晶格的緊密程度(圖27)(文獻(xiàn)9～10)。
圖 27：四面體鍵結(jié)半導(dǎo)體的原子間距(點(diǎn)擊查看原圖)
除了以硅晶為基材配合中間層長出GaN 磊晶之外，鉆石的(111)表面也可在高溫(1200℃)長出AlN 的磊晶(文獻(xiàn)11)。除此之外，鉆石在真空裡加熱至1200℃使其縐褶的(111)面扯平成磊晶的石墨層(Graphene)后就可在1100℃或更低的溫度長出GaN 的磊晶。還有一個(gè)更有效的方法就是以原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)法通入甲烷(Methane，CH4)及硅烷(Silane，SiH4)并漸進(jìn)增加C/Si 的比率。每次進(jìn)氣后都以電漿解離的氫氣或氟氣移除非晶格的沉積。這樣就可以使鉆石的表面長出數(shù)奈米的SiC。由于SiC 和AlN 的晶格匹配，以SiC 為中間層可長出完美的AlN 磊晶。
wBN 和鉆石的晶格相近，以含硼鉆石(Boron Doped Diamond，BDD)的(111)面為基材可在其上長出wBN 的磊晶(圖28)。wBN 又和AlN 為異質(zhì)同相，可形成固溶體(B, Al)N。以此共溶體為過渡層也可在鉆石上長出AlN 的單晶。
圖 28：在鉆石膜表面低溫濺鍍可生成(B, Al)N 的中間層及AlN 的多晶(點(diǎn)擊查看原圖)
含硼鉆石(Boron Doped Diamond，BDD)為超級(jí)的P 型半導(dǎo)體，它的載子濃度最高，而且電洞的遷移率也最大(見表1)。而含硅的AlN 因其電子解離能(0.25 eV)比含鎂(0.63 eV)的P 型AlN 低，所以為極佳的N 型半導(dǎo)體。這種異質(zhì)接合(Heterojunction)可制成同時(shí)發(fā)射藍(lán)光及UV 的LED(圖29)。
圖 29：AlN/Diamond(100)的EL 光譜包括2.7 eV 的藍(lán)光及4.8 eV 的UV(點(diǎn)擊查看原圖)
鉆石半導(dǎo)體
鉆石半導(dǎo)體是超速計(jì)算機(jī)CPU 芯片的夢(mèng)幻材料。它可在強(qiáng)電場(chǎng)、高頻率、大電流及熱溫度下運(yùn)作。鉆石半導(dǎo)體也可制成多種極端的光電組件，例如「死光級(jí)」(Death Light)的雷射二極管(Laser Diode)。鉆石半導(dǎo)體可以染質(zhì)(Dopant)滲雜使其帶電或(N-Type 或負(fù)極)或缺電(P-Type 或正極)。P-N的結(jié)合可使其成為晶體管(Transistor)、LED 或太陽電池。由于鉆石的碳原子極小，染質(zhì)只能使用很小的原子才能塞進(jìn)鉆石的緊密晶格。其中最容易取代碳原子的為比碳少一個(gè)電子的硼原子及比碳多一個(gè)電子的氮原子。以象棋比喻元素的週期表，碳為正中的國王，硼及氮為過與不及的左右護(hù)法。
滲硼的硅晶為P-Type 半導(dǎo)體，滲硼的鉆石亦為電洞源。滲磷的硅晶為N-Type 半導(dǎo)體，但磷原子很大，只能勉強(qiáng)把少數(shù)的原子塞進(jìn)鉆石成為電阻很大的電子源。因此P-N 結(jié)合的電流非常小以致鉆石半導(dǎo)體的優(yōu)異性質(zhì)難以發(fā)揮。若在鉆石內(nèi)滲氮，固然價(jià)電子的濃度可以大增，但氮的原子把電子綁得太緊，價(jià)電子不能解離使電阻大增而電流反而更小(圖30)。
圖 30：鉆石晶格內(nèi)的電子能階圖。鋰可提供電子流動(dòng)的通路(點(diǎn)擊查看原圖)
氮原子把額外的電子卡住，這個(gè)電子會(huì)推擠旁邊的碳原子使其離開而造成空位(Vacancy)。若能使鋰(Li)原子擴(kuò)散進(jìn)入鉆石的晶格，這些原子會(huì)填補(bǔ)氮原子旁邊的空位，因此會(huì)形成氮鋰(LiN)的原子對(duì)(Atomic Pair)。鋰原子為金屬，通常不能佔(zhàn)據(jù)鉆石的晶格，但LiN 可取代兩個(gè)碳原子。氮原子雖把電子綁死，但鋰原子提供一個(gè)低位能階可使電子流動(dòng)，因此可解決鉆石半導(dǎo)體沒有電子源的問題，這是鉆石半導(dǎo)體的新思維(圖31)。
圖31：LiN 的電子染化軌道可把束縛的氮電子經(jīng)鋰離子釋放(點(diǎn)擊查看原圖)
鉆石LED
鉆石LED 的開發(fā)工作已被日本人完成，其設(shè)計(jì)及激發(fā)光譜有如圖32所示。
圖32：鉆石LED 的設(shè)計(jì)及光譜。P type 的染質(zhì)為B，而N type 為磷(點(diǎn)擊查看原圖)
鉆石的UV LED 具有高能超亮的優(yōu)點(diǎn)，即使電流密度超過2000A/cm2，其發(fā)光效率仍未飽和。這個(gè)電流密度已多倍于AlGaN 所制的準(zhǔn)UV (400 nm) LED。除此之外，鉆石LED 的溫度越高，亮度越大(圖33)。這和傳統(tǒng)的LED 趨熱剛好相反。因此鉆石LED 可在極大功率下發(fā)出超強(qiáng)的紫外線。若溫度高至400℃，氮綁得很緊的價(jià)電子也能游離成為電子源，因此含氮的鉆石就可以形成N 型半導(dǎo)體，解決了上述含磷造成晶格缺陷的問題。
圖33：鉆石LED 的電流與強(qiáng)度的關(guān)系(左圖)右圖為在50 mA 下發(fā)光隨升溫(℃)而增亮的特性(右圖)
(點(diǎn)擊查看原圖)
鉆石島外延片
上述的多種超級(jí)LED 都缺少了適合生產(chǎn)的外延片。因此，DTC 乃發(fā)展出鉆石島外延片(DIW)做為未來生產(chǎn)高功率的UV LED 之用。
全世界每年生產(chǎn)超過一千公噸鉆石的單晶磨粒， 其價(jià)格可低至$200/Kg(1Kg = 5000 carats)，比硅外延片還便宜。鉆石磨粒乃在超高壓(＞ 5GPa，1 GPa = 10,000 atm)下以熔融的鐵族金屬(Fe、Co、Ni 的合金)催化石墨生長而成。DTC 領(lǐng)先全球發(fā)展出以排列晶種生長大顆(＞ 0.5 mm)鉆石單晶的技術(shù)，更可長出具有六面體(立方體)外形的單晶(圖34)。大量生產(chǎn)的成本每一元新臺(tái)幣可獲得10 顆鉆石單晶(文獻(xiàn)18)。
圖 34：DTC 發(fā)展生產(chǎn)鉆石立方晶的技術(shù)可大量制造LED 的鉆石單晶(點(diǎn)擊查看原圖)
鉆石LED 的最大特性為溫度高到600℃時(shí)發(fā)光更為驚人。傳統(tǒng)的LED 則在200℃以下就可能燒壞，鉆石是(惰性氣體保護(hù)其不受氧化)能輸入最大功率LED 的半導(dǎo)體。由于LED 的芯片不及0.5 mm，每個(gè)單晶可以長出一顆LED。DTC 的鉆石島外延片(Diamond Islands Wafer，DIW)可以和LED 長晶的生產(chǎn)線結(jié)合(圖35)。
圖 35：鉆石島外延片的設(shè)計(jì)及實(shí)體(點(diǎn)擊查看原圖)
未來以立方晶密集排列，鉆石島可涵蓋3/4 的外延片面積(DTC 產(chǎn)品)。
DIW 不僅可解決鉆石外延片問題，更能以之長出cBN 及AlN 的磊晶。鉆石與cBN 的晶格相同而cBN 可過渡至AlN，因此上述的超級(jí)LED 都可在未來納入生產(chǎn)線。大量生產(chǎn)DIW LED 是臺(tái)灣科技超越美、日、歐的機(jī)會(huì)。臺(tái)灣也可藉此由半導(dǎo)體的硅晶島(Silicon Island)升級(jí)到比金銀島更有價(jià)值的鉆石島(Diamond Island)。
鉆石雷射
由于Würtzite GaN 為六方晶系，會(huì)壓電變形(Piezoelectric Distortion)而扭曲晶格，因而干擾了發(fā)光的均勻性。雖然有人以極貴的GaN 外延片切出所謂的非極性GaN，試圖改善LED 的發(fā)光，但其成本為天價(jià)，所以并不實(shí)用(圖36)。
圖 36：切割GaN 晶體可獲得非極性的平面(a 或m)(點(diǎn)擊查看原圖)
鉆石為立方晶系，根本沒有極性問題。令(100)晶面DIW 生長的cBN或AlN 磊晶都是立方晶系。由立方晶系的AlN 延伸至GaN 磊晶也會(huì)是立方晶系。
立方晶系的LED 以解理(Cleavage)面(100)為共振腔就能做出雷射二極管(Laser Diode，LD)，UV 的LD 為夢(mèng)幻的死光材料，它可藉DIW 的實(shí)踐制造生產(chǎn)。
氮化物螢光粉
目前的白光LED 多以藍(lán)光激發(fā)黃色的螢光粉(如YAG 或TAG)而互補(bǔ)組成白光。螢光粉的母體(Carrier)常為氧化物，而光源(Activator)的原子為稀土元素(如Ce、Eu)。由于氧化物為極性化合物(Ionic Compound)，它會(huì)吸收水份而逐漸潮解。更有甚者，光源的原子太大以致和母體結(jié)合的鍵能不強(qiáng)，在高溫下大原子會(huì)擴(kuò)散(Diffusion)及偏析(Segregation)使發(fā)出的光分散走樣。除此之外，母體內(nèi)光源原子的濃度不高，螢光粉吸收了自己發(fā)光的強(qiáng)度。
若超級(jí)LED 的美夢(mèng)成真，螢光粉可改用氮化物。例如以(In, Ga)N 同為母體及光源。這時(shí)調(diào)節(jié)In 及Ga 的比率就可獲得紅、綠、藍(lán)及其組合的任何光色，包括白光。這種UV 的光激螢光(Photo Luminescence，PL)跳脫了傳統(tǒng)螢光粉必須是粉末的思維框架(Paradigm)而改以MOCVD 在UVLED 的芯片上加鍍多層光源磊晶就可以了。
結(jié)論
目前LED 的主流技術(shù)只是光革命的前奏曲，真正的突破為以超級(jí)LED 制成高功率的UV 光源。鉆石島外延片可為橋樑把高壓的鉆石合成技術(shù)和真空的氣相合成方法結(jié)合起來而制造出超級(jí)LED，包括鉆石LED、AlN/Diamond、cBN/Diamond LED、AlN/cBN LED 及其它待開發(fā)的次世代LED 產(chǎn)品。在這個(gè)起跑點(diǎn)上，臺(tái)灣深入的鉆石科技可領(lǐng)先制成全球首創(chuàng)的鉆石島外延片，這樣就可以大規(guī)模生產(chǎn)超級(jí)LED。若臺(tái)灣的LED 科技公司可以合作開發(fā)這項(xiàng)蛙跳技術(shù)，則臺(tái)灣的LED 產(chǎn)業(yè)不僅可擺脫「微笑曲線」的魔咒，更可把臺(tái)灣從硅晶島升級(jí)到鉆石島。