發光二極體(LED)具備省能、體積小、反應快、壽命長、外表堅固、耐震動、可量產等諸多特性，再加上照明功能的優勢，如指示性強、單色機能佳與混光性強等，使得現階段LED的應用，涵蓋從指示燈到消費性電子產品顯示器的廣大範圍。
隨著材料與製程的進步，目前LED已趨近全彩以及高亮度化，且壽命高達10萬小時，因可預見LED將成為新一代替代傳統燈泡的光源。
現階段，全球LED產業仍持續大幅成長，預計2008年全球市場產值將超過新台幣3,000億，而其產業結構與製程可分為上、中與下游。原料在上游製作成磊晶片後，於中游與電極整合成LED晶圓，經由晶粒切割及擴晶成單一晶粒(LED Die)，最後在下游將晶粒打線與封裝成不同樣式的LED燈具。
為降低製造成本及確保產品品質，在每個生產步驟完成後，均須使用量測儀器做測試，因此如何準確測量光學參數就顯得更為重要。本文除針對此需求介紹LED基本原理與光學特性外，亦就所須測量的光學參數與量測作法進行說明，期能提供相關測試人員量測上的參考。
LED晶圓與燈具量測方式大不同
目前LED晶片的尺寸範圍涵蓋從9毫米×9毫米至14毫米×14毫米，藍光與紅光LED 晶片電極結構並不相同(圖1)。當電極注入電流後，由晶片表面直接發光，其光學特性規格包括波峰值(Peak Wavelength,λp)、主波長(Dominant Wavelength,λd)、半高寬(Spectrum Half-Width,λ0.5)及光強度(Luminous Intensity)等。
LED為p-n接面(Junction)半導體元件(圖2)，其發光原理是利用將元件通電後，電子與電洞結合後，以光的形式釋出能量，達成發光的效果。由於LED的材料為III-V族化學元素，如磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等，而元件所釋出的光子能量依材料的差異，能帶差上亦有所不同，因此須在不同的發光波段使用不同的III-V族材料(圖3)。
LED屬於冷性發光，所釋出的光有將近15～20%落在可見光頻譜的範圍。相較於一般燈泡，只有5%的發光能量位於可見光範圍，LED可說是現今可見光頻譜範圍中效率最高的光源。
LED晶圓與LED燈由於在尺寸架構及電極安排方式不同，因此在量測方法上也有所差異。LED晶圓須要以探針接觸電極進行驅動，因為晶片與晶片的間距小，電極與探針間須做精密的對位，所以LED晶圓的量測方法無法套用於LED燈的量測方法上。量測架構上主要的不同點在前端收光部分，LED燈使用套筒做光強度(Luminous Intensity)的量測，LED晶圓則使用積分球或是探針顯微鏡(Probe Microscope)，後文將有詳細描述。
環境溫度影響LED光學特性
LED的輸出光強度為順向電壓與順向電流的函數，在固定電流值的驅動下，須待數分鐘後，當半導體接合面的溫度達成熱平衡，電壓才會開始持穩，爾後LED的光譜才會穩定下來(圖4)。而在熱平衡之後，光譜分布會受LED晶片的環境溫度影響(圖5)。
除了藍光LED會朝短波長方向移動外，環境溫度升高會使光譜朝長波長方向移動，造成光譜形狀的改變，因此在測量LED的光學特性時，維持恆溫的環境是很重要的。一般在測量LED的光源特性時，標準驅動的直流電流為20毫安培，且環境溫度小於50oC。LED光譜半高寬(FWHM)介於15～100奈米(圖 6)，波峰值由製程所決定，此兩參數均可由分光輻射計(Spectroradiometer)測量，並得到下列光譜參數：
(1)波峰值：代表光強度最強的波長值，在實際應用上並不重要。原因是兩個不同的LED可能會有相同的波峰值，卻呈現不同顏色，因此通常採用主波長做為依據。
(2)半高寬：表示一半波峰強度值時對應的頻寬。
(3)主波長：表示LED在人眼所看到的顏色對應的波長。CIE1931色彩圖(Color Diagram)將參考光源的色度座標(CIE illuminant E)與待測LED的色度座標((x,y)座標)連成一線後，與圖7圖形邊界的交點定出主波長，用以決定LED的顏色。
(4)顏色純度(Color Purity)：表示顏色飽和的程度，定義在CIE1931的色彩圖上，以參考光源的色度座標與待測LED的色度座標距離，除以參考光源與主波長的距離獲得(圖7)。色度座標愈趨近於色彩圖的邊界，顏色純度愈趨近於100%，也就是單色光。判別兩顆LED是否相同時，主波長與顏色純度均須列入考量。
(5)光強度：表示LED光源在單位時間的單位立體角內所發出的光能量，此物理量適用於點光源，而針對封裝後LED燈光強度，則以「平均光強度(Averaged LED Intensity)」表示。
(6)相關色溫(CCT)：表示白光LED光源光色的程度。以黑體輻射最接近待測LED顏色時的溫度，來描述白光LED的顏色。
LED晶圓的光學參數量測
針對可見光LED而言，所須測量的光學參數可歸類為光度量測與色度量測(Photometric Quantities＆Colorimetric Quantities)。光度量測與色度量測即是測量人眼在可見光頻譜範圍，一般定義在380～780奈米範圍的反應。
在光度量測部分，項目包括全光通量(Luminous Flux)、光強度(Luminous Intensity)與照度(Illuminance)。測量LED燈的全光通量時，為使光均勻化，可將LED置於積分球內，然後由照度計來進行量測(圖 8)。照度計使用寬頻的偵測器加上濾光片組成V(λ)偵測器，模擬人眼的光譜反應曲線，稱為1931 CIE Luminosity Function(圖9)，再配合流明與光電流間的校正關係，就可計算出光源在可見光範圍的總流明數，也就是全光通量。
至於測量LED燈的光強度時，則用照度計配合套筒進行量測(圖10)，其計算方法有二種。一是利用公式Ⅰ＝Ed2而得，也就是測得距離光源為d時的照度 E，經由公式計算後可得到光強度Ⅰ。二是測得面積為A的偵測器所接收到的總流明數後，再除以距離偵測器為R的光源的立體角，也就是A/R2，所得即為單位立體角所包含的流明數，也就是光強度。
在色度量測部分，項目包括之前所提的色度座標、顏色純度與相關色溫等，可使用積分球搭配分光輻射計測得LED燈的頻譜分布，然後依定義與1931 CIE決策加權函數(Color Weighting Functions)(圖11)搭配計算後便可以得到。
使用上述的量測方法應用於LED晶圓時將遇到以下問題：
(1)上述儀器根據LED燈的量測標準CIE127進行設計，以測量光強度。CIE127是以固定的光偵測頭面積(100平方毫米)與幾何關係(Condition A與Condition B)所制訂的標準量測方法(圖12)，而目前針對LED晶圓仍無量測的標準。
(2)由於LED晶圓的驅動方式需要精密的探針定位，且電極製作於發光表面，故無法使用圖8的LED支架(Holder)及圖10的LED受容器(Receptor)進行量測。
(3)在光強度量測上，若以不直接接觸的方式與探頭進行量測，由於收光的立體角會隨著LED晶圓與探頭間的距離而改變，因此會有量測誤差。
目前市售的LED晶圓檢測系統依探頭種類可分為兩種：其一為使用積分球為探頭(圖13)，透過光纖引入分光計，取得光譜分布資訊後進行計算，得到光學參數。另一則使用探針顯微鏡收集LED晶圓的光能量(圖14)，再由分光鏡進行分光。其中一道光透過光纖引入分光計取得光譜分布資訊，另一道光則由V(λ) 偵測器取得光強度資訊。
工研院光譜影像系統開發成形
目前工研院量測中心已研發出可用於測量LED晶圓光學特性的光譜影像系統(圖15)。有別於分光計一次只能測得一個光源的頻譜分布，此系統利用分光元件與透鏡的組合，在同軸(On Axis)及離軸(Off Axis)皆有良好的光學成像品質，因此可同時拍攝數十個光源的頻譜分布，再經由電腦程式計算後得到色度座標。
圖16所示為以藍光LED為光源，導入12×1的V-groove光纖陣列後，以系統拍攝其光纖出口端的光譜影像。圖中橫軸為波長軸，縱軸為空間軸，此處僅示範12通道光譜量測的結果。
由於待測樣品搭配此系統時，只須做一維空間(y)的掃描，便可獲得完整的影像資料，因此本系統適合大面積樣品的光譜快速掃描檢測使用，可應用於LED和雷射二極體晶圓晶粒的檢測(圖17)。
目前系統的物方空間解析度與光譜解析度分別小於315微米與3.57奈米，並可依樣品須檢測的視野大小及發光強度，更換不同倍率的成像鏡頭，與不同靈敏度的陣列偵測器作量測。
現階段的電腦程式已可由所拍攝到的光譜影像計算出色度座標，未來將配合絕對強度的校正以計算出光強度，得到完整的LED晶圓光學參數。
