前言

 

緣起

    1997年世界光電產業總產值為1153億美元,我國產值48.7億美元,約佔全球市場的4.7﹪。根據工研院光電所IT IS計畫分析,預估西元2002年世界總產值為1976億美元,預估我國產值將達97億美元,約佔世界的5.7﹪。1987年至1994年,我國光電業的產值複合成長率為17﹪,其後每年呈25至40﹪的成長。近年來在個人電腦、網路通訊、交通、能源、醫療、加工、檢測等各方面新興需求帶動下,我國光電產業表現得非常搶眼。持續的成長投資金額與產值,連年均以高成長率攀升,已具備明星產業的架式。

光電產業介紹

產業概述

    「光電」顧名思義,當然跟光與電有著密不可分的關係,根據光電科技工業協進會依照光電使用的性質不同,將光電產業分為七大領域:

(1)    光電材料與元件

(2)    光電顯示器

(3)    光學元件與器材

(4)    光輸入

(5)    光儲存

(6)    光纖通訊

(7)    雷射及其他光電應用

    但由領域的分類不太容易分辨出產品的歸屬,如果由產品的性質來歸類可能會比較容易瞭解與記憶,一般來說照產品的不同可略分為五個項目:

  1. 光資訊-包括光碟機、影像掃描器、傳真機、雷射印表機等。
  2. 光電元件-包括發光二極體、液晶顯示器、光耦合器等。
  3. 光學器材-包括相機、鏡片、投影機、幻燈片、望遠鏡等。
  4. 光纖通訊-包括光纖、光傳輸系統之接受器及連接器等。
  5. 光電應用-包括光電檢測與控制、雷射加工與醫療等。

在這眾多的光電產業裡,這麼多的產品中,又可將光電產業歸納出幾個在未來的市場發展具有雄厚的潛力及空間的產品:

1.    發光二極體。

2.    液晶顯示器:包括TN、STN-LCD及TFT-LCD等液晶顯示器。

3.    數位相機。

4.    光儲存器:

(a)    光碟機:包括CD-ROM型光碟機,CD-RW型光碟機及DVD光碟機。

       (b)光碟片:包括CD-R光碟片,CD-RW光碟片及DVD光碟片。

產業概況

    以下文章中將要討論的產業概況,以上述這幾個極具發展潛力與空間的產品為主。

1.    發光二極體(Light Emitting Diode,簡稱LED):

LED是屬於半導體元件的一種,能將「電能」轉換成「光」,而應用在照明或需要數字、影像顯示的一些電子產品上。

在應用上LED可分為兩大類,可見光LED與紅外線LED

1)可見光LED:

A.    產業概況:

a)下游產業概況:

     材料:晶粒。

     產品:燈泡型LED、數字顯示LED、點矩陣顯示LED。

大致上來講下游以封裝起家,技術層次不高,而目前國內從事此一市場多達三、四十家。在產值方面佔了我國整體LCD產值的3/4,更是中游產值的4倍左右,上游產值的30倍上下。

b)中游產業概況:

     材料:磊晶。

     產品:晶粒。

我國介入中游產業的時間較晚,且再加上磊晶片受制於日商,不過由於LED晶粒需求長期看好,我國眾多廠商相繼投入,產值將會複合性成長高達三成以上。

c)上游產業概況:

     材料:As、Ga、In、P。

     產品:單晶、磊晶片。

我國切入LED上游產業的時間較晚,再加上製作技術層次又較高,所需的資金也較為龐大。且原料方面也幾乎仰賴國外進口,這是我國LED產業較弱的一環,國內已有數家廠商投入研發。

2)紅外光LED:

A.    產業概況:

   產品:

(a)            Iamps:應用在遙控器與電子零件方面

b)零組件:可作為光斷續器、光耦合器。

c)數據傳輸模組:則應用在電腦周邊跟行動電話。

紅外光LED大多應用於資訊產品。在國內產值方面僅佔全球的2﹪~4﹪。因紅外線LED品質要求較高,技術層次也較高,所以相對之下它的單價亦較高。然而未來是朝著資訊通訊而走,無線數據傳輸最具發展潛力,未來在數位相機、行動電話、滑鼠等產品帶動下,市場潛力無窮。

2.    液晶顯示器:

LCD的產業結構可分為:

上游:液晶面版之原料及機器設備

中游:液晶面版製造與模組組裝

下游:液晶面版之應用產品

    如果以技術與應用層面則可區分為如表2-1

2-1TN、STN、TFT(LCD)的應用

 

尺寸

顏色

應用

TN

1-3吋

單色

計算機、手錶、家電遙控器、呼叫器、遊戲機

STN

1-10吋

單色、彩色

PDA、掌上型電腦、行動電話、PHS/DECT

TFT

6吋以上

全彩

筆記型電腦、監視器

 

1)TN/STN型LCD產業概況:

     在中小尺寸TN/STN-LCD的製造,日、韓廠商市場佔有率合計超過68﹪。但隨著生產的技術成熟,且日、韓看好TFT型的LCD未來發展,逐漸將重心移至大尺寸的TFT型的領域上,反而造就了台灣TN/STN型LCD製造商發展的機會。

TN型LCD的發展已有二十餘年,係屬於成熟型的產業,因此對下游應用的產品不易有突破性的發展。但STN型LCD可因掌上型電腦及行動電話的普及,未來在市場的發展較TN型LCD來得高,但又因TFT型LCD未來價格將大幅下降,則會加速TFT型LCD取代STN型LCD,因此未來STN型LCD不會有爆發性成長。

2)TFT型LCD產業概況:

大尺寸TFT-LCD面版需求來自筆記型電腦及液晶顯示器兩大主力產品。根據工研院光電所IT IS計畫的資料,未來極具發展空間。但由於日、韓也都大量投入TFT-LCD的開發,以及國內製造商都積極擴增產能,將來可能會面臨供過於求的局面。

3.    數位相機(Digital Still Camera ,簡稱DSC)的產業概況:

  傳統相機是以底片,經曝光產生化學變化,再經過藥水沖洗後,將影像顯現於照片紙上,而數位相機是用電荷耦合元件(CCD)將透過鏡頭的影像轉換成數位元訊號,儲存於記憶體(如記憶卡、磁碟片等)上,可接上電視、電腦直接顯像或用印表機將影像列印出來。隨著技術的成熟,目前的數位元相機的影像品質已經快接近傳統相機的水準。現今百萬畫素的數位相機已是市場的主流,若相機本身的售價能降到約NT$10000-15000元,再加上輸出耗材(相片紙)也能大幅降價的話,未來數位相機將能取代傳統相機70﹪以上的市場。由於國內廠商投入研發較晚,但在我國數位相機相關技術逐漸成熟及零組件取得困難度降低後,相信價格快速下滑會使得訂單轉向台灣。

(Ⅰ)就數位相機的鏡頭來說

a)依可否調焦區分為固定鏡頭(fix lens or free focus)及可自動對焦鏡頭模(focus lens)

固定鏡頭顧名思義就是光學鏡頭本身與機身為固定不動,以及兩者無相對運動。其另一涵義就是此光學鏡頭無法調焦。所以其成像品質與可對焦之光學鏡頭相比較之下,就遜色不少。另外,為使拍攝範圍能涵蓋從近距離別無窮遠,因此就必須使其拍攝條件設定在景深長的狀況,所以其採用的光圈值就不能太小,也由於光圈值大,因此就必須靠閃光燈來補光。一般此鏡頭在低階相機或PC Camera最常見。

    (b)依鏡頭焦距值可否變化區分為單焦點鏡頭和變焦鏡頭

取像用光學鏡頭若以焦距可否變化,可分為單焦點鏡頭及變焦鏡頭。單焦點鏡頭顧名思義其此鏡頭的焦距值就只有一個;如5.7mm、6.2mm,如前所述固定鏡頭( fix lens)一般都為單焦點鏡頭,但單焦點鏡頭不一定就是固定鏡頭,因高階單焦點鏡頭包括有可對焦鏡頭。而變焦鏡頭的焦距值,不是一個固定值,而是一段範圍;如6~18mm、5.5~11mm;因其焦距值可變化,所以其機構相對就更複雜。一般變焦鏡頭的採用會搭配在中高階數位相機上,而用在數位相機上其變倍比(最大焦距值與最小焦距值之比值)通常2~3倍之間最多,而變焦鏡頭通常都為可對焦鏡頭。

c)依視角可區分廣角、標準、望遠視角的鏡頭

以一般人雙眼能充分辨識色彩的角度範圍的為50度的視角來說,我們依此來區分光學鏡頭的視角為廣角、標準或望遠,約略可依成像面尺寸(即CCD尺寸)來出略判別光學鏡頭其焦距值對此CCD的視角。有一簡單的判別方法,就是若焦距值約等於CCD尺寸對角線,則可說此鏡頭對此CCD展現的視角為標準鏡頭,舉例來說,以1/2英吋CCD成像面尺寸約寫4﹒8mm X 6﹒4mm,對角線為8mm。

若搭配光學鏡頭其焦距值若為8mm,則其視角接近人眼的辨識色彩的視角,此光學鏡頭可稱為標準鏡頭。反觀之,若焦距值約明顯小於或大於CCD尺寸對角線,其將造成通過鏡頭成像後,視角將大於或小於人眼的辨識色彩的視角,則稱為廣角或望遠鏡頭,其影響就是可成像的範圍較廣景物較小或可成像的範圍較窄景物較大。例如4mm的焦距值的光學鏡頭對於1/3英吋CCD的成像面(對角線約6mm),其視角約74度大於50度人眼的辨識色彩的視角甚多,因此我們稱此鏡頭對於1/3英吋CCD為廣角鏡頭。而一般數位相機單焦點鏡頭皆小於CCD對角線長度,以使其具廣角視角效果有如14mm的焦距值的光學鏡頭對於1/3英吋CCD的成像面,其視角約24度小於50度人眼的辨識色彩的視角甚多。因此在遠處之景物也可透過此光學鏡頭,得到較大的像。因此我們稱此鏡頭對於 1/3英吋CCD為望遠鏡頭,一般數位相機除了搭配變焦鏡頭外,較少有數位相機單焦點的鏡頭,視角為望遠視角。然而,在數位相機焦距值規格中,經常以相當於傳統33mm底片相機的焦距值來表示,而 35 mm底片規格尺寸為24mm x 36mm而其對角線尺寸約略為43mm,但我們常以鏡頭焦距值50mm為35nm底片相機的標準鏡頭。

d)數位相機光學鏡頭規格演進

CCD畫素區分數位相機可分為低階、中階、高階數位相機,同樣地光學鏡頭亦可分為低階、中階、高階光學鏡頭。

首先,我們若從數位相機畫素發展的歷程來區分的話,大抵可分為三階段。第一階段則以CCD有效畫素在30萬畫素以下的低階數位相機為主,第二階段則以CCD有效畫素在30萬畫素以上到80萬畫素之間的中階數位相機,第三階段則以CCD有效畫素在百萬畫素以上的高階數位相機。在此三階段搭配的光學鏡頭,其規格及技術也不盡相同。

以第一階段低階數位相機來說,此時搭配的光學鏡頭,幾平全部是固定鏡頭(fix lens or free focus lens)為主,也就是以低階光學鏡頭為主,其所提供的功能有限,諸如光圈值大部分為一段固定光圈口徑,而只有少數有提供兩段的光圈口徑,對焦功能方面無(也就是不用對焦)。因此此階段數位相機的光學鏡頭規格與PC Camera的光學鏡頭幾乎相同,兩者的差異只在於鏡片材質的不同而已,數位相機為玻璃鏡片, PC Camera為塑膠鏡片居多。

而第二階段數位相機搭配的光學鏡頭,在規格及功能上已明顯提升,諸如具自動對焦功能、近距拍攝、多段光圈變化、機械快門及2~3倍變倍比之變焦鏡頭等等。此時光學鏡頭的技術,已牽涉較複雜的光學、光機及電氣控制技術。

在第三階段數位相機,由於具百萬畫素CCD( 2百萬或 3百萬)其每個畫素尺寸約在3~4 μm之間﹒因此光學解像力被要求就相當嚴格(光軸中心解像力需2OO lps/mm,四周約160 lps/mm),同時為了表現百萬畫素的影像品質,其搭配的光學鏡頭,無論是在功能上或是在光學性能上,皆相當地嚴格,光學及光機技術困難度也相對地高。此時搭配的光學鏡頭不論是單焦點(固定焦距)鏡頭或是變焦鏡頭,皆有提供自動對焦、近距拍攝、多段光圈變化、機械快門等功能。

同時,在光學鏡頭模組本身的對位(alignment)及定位上,以及鏡頭模組與CCD Sensor之對位(alignment)、調整等技術就相當重要,否則就空具有超高畫素的CCD,而無法表現出其影像品質的細膩。

(Ⅱ)就影像感測器的發展現況而言

目前的發展情形除由日商所長期掌握的電荷偶合原件影像感測器(CCD)外,目前,互補式金屬氧化半導體影像感測器(CMOS)隨著半導體製成技術的逐漸成熟,如今低解析度(百萬畫素以下)的數位相機業者逐漸採用CMOS替代CCD。

CMOS由於其低成本及系統整合性高的優勢,被視作CCD感測器的替代產品。 CCD感測器與CMOS感測器都由矽晶圓製造而成,因此,兩者對可見光及近紅外線光譜的感應程度基本上相似。兩種技術都藉由相同的光電轉換過程,將影像入射光(光)轉換成電壓(電),如果還需要彩色感測器,再將每個畫素上覆蓋彩色濾光片(R、 G、 B)即可。

CCD所採取的特殊IC製程技術已發展有25年的歷史,雖然, CCD可以把其他數位相機的功能(例如:數位訊號處理、定時邏輯等)一起整合,在技術面可行,但卻沒有經濟效益,實際應用上,其他功能多建在另外的晶片上。大多數採用CCD的數位相機,有3到8顆的晶片。在未來資訊產品將邁入整合單晶片的趨勢下,就長遠來看, CMOS是未來感測器的主流產品。

目前,日本市場正值大力促銷數位攝錄影機與33O萬畫素以上的數位相機,造成CCD需求大增、產能不足,所以自1999年2~3月開始, CCD產品開始短缺。在台灣生產百萬畫素以下數位相機的業者,有些已考慮採用CMOS來替代CCD,如此將可降低成本並提高產品的競爭力。

而且,隨著數位相機價格之下滑, CCD感測器在1999年下半年亦有跌價的趨勢。 CMOS感測器未來一、二年內,在影像品質不足、價格差距有限的情況下,仍將只能在80萬像素以下的低階數位相機市場中,此外,在電子玩具、可攜式資訊家電產品(手機、 PDA、筆記型電腦等)、視訊攝影體 ( PC  Camera)、影像電話、汽車用感測器、保全用途監視攝影機等領域, CMOS感測器具有很高的發展潛力,值得國內廠商投入開發。

a)CCD影像感測器

CCD感測器的種類,可分為Full  Frame、 Frame  Transfer (FT)、 Interline Transfer(IT)3種,以下將分別介紹這三種CCD。

   * Full Frame

Full Frame是三者中架構最簡單者,由於整個感測器的都是感光區域,可以用於長時間,曝光的超高像素影像感測器等特殊用途。

Frame Transfer(FT)

FT方式採用兩個陣列方塊區域,一是曝光區,另一是不透明儲存區, FT方式適用於讀取速度需比Full Frame方式更快的高階CCD影像感測器,近來Philips與Sanyo即強調FT方式的技術優異性,聯手進軍消費型數位相機市場。

原則上, FT方式CCD其每個像素的受光面積較大,所以要提高感度及飽合輸出電壓較容易,但是會產生藍光感度較低、 smear高的問題,這是因為採FT方式時,每個像素的開口率較高所致、一般認為FT方式可以較IT方式獲得更佳的畫質,對照IT方式CCD必須採用微鏡頭來提高感度, FT方式CCD卻無此需要,所以FT方式在高畫素數位相機產品的應用,將會愈來愈廣。

  * Interline Transfer (IT)

IT是目前通用的處理方式, CCD包含多個直條狀陣列,並由曝光區及儲存區間隔組成。目前在數位相機、 PC Camera、攝錄影機上用的CCD感測器,主要是採IT的轉送方式,因為其資料讀取速度較快,透過採用微鏡頭,可達到與FT方式CCD相同的實質開口率。

目前,數位相機的CCD感測器,主要採用IT方式。儘管300萬像素以上數位相機今年以來相繼上市,但畫質與傳統相機相比仍有差距,主要原因是CCD的動態範圍( Dynamic Range)窄;動態範圍代表一張相片中,最明亮處與最黑暗處之間差距所能表現的程度,另一問題是景深的表現力較差。動態範圍窄,一直是CCD感測器的弱點,但由於FT方式CCD其每個感光元件的感光面積,是IT方式CCD的2倍,相對提高FT方式CCD的動態範圍,同時, FT方式CCD的構造比較簡單,在景深表現方面也較IT方式為佳。

CCD感測器的未來發展方向,不能單單只考慮小型化及高畫素化,以FT方式達到與傳統相機相匹敵的豐富表現能力,也是CCD真正需要達到的目標之一。各種影像感測元件的特性比較請參考下表2-2。

2-2 各種影像感測器的特性比較

 

CMOS

IT-CCD

FT-CCD

備註

感度

 

雜訊

 

動態範圍

CCD的動態範圍較窄,動態範圍代表一張相片中,最明亮處與最黑暗處之間差距所能表現的程度。

Smear

50萬畫素作比較。

Smear(有快門時)

150萬畫素以上,IT-CCD也需要快門。

漸進式掃瞄

漸進式掃瞄(Progress Scan)的畫質比Interlace方式較佳。

耗電量

10mW低耗電

100 mW

100 mW

 

晶片整合性

 

晶片SIZE

/小

 

製程難易

複雜

複雜

較簡單

 

b)CMOS影像感測器

CMOS影像感測器的應用範圍非常的廣泛,包括數位相機、 PC Camera、影像電話、第三代手機系統、視訊會議、智慧型保全系統、汽車倒車雷達、玩具,以及到工業、醫療等用途。由於使用層面廣泛,非常有利於CMOS產品的普及, CMOS不但體積小,耗電量也只有CCD的1/10,售價也比CCD便宜1/3,畫質已接近低階解析度的CCD,國內相關業者已開始採用CMOS替代CCD,我們整理了CCD與CMOS特性的比較表,如表2-3所示。

2-3  CCD與CMOS影像感測器的特性比較

 

CCD

CMOS

可達解析度(Pixel)

3 M

1.5M

影像品質

優異

良好

畫素大小m)

2-6

7-20

雜訊瓶頸

尚需進一步克服

價格

USD$10~50

USD$8~15

系統整合

晶片組

單晶片

暗電流(pA/cm2)

10~30

100~1000

耗電量

100s of mW

10s of mW

電源供給

多電壓軸(-8V~15V )

單一電壓(〈 5 V

影像感測元件市場應用範圍廣,涵蓋消費、商業、工業等領域。1998年CCD與CIS影像感測元件市場總產值為7億美元,其中CMOS產值為3,200萬美元,佔4.57%,預估至2002年,市場佔有率高達84﹒5%,根據台積電的統計數據顯示,從1999年至2004年, CMOS Imager Sensor每年的複合成長率都將超過25%。

CMOS影像感測器目前採用以掃瞄器、數位相機、 PC Camera等產品為大宗,線型CMOS以掃瞄器為主;面型CMOS則以PC Camera、數位相機為主。雖然, CMOS感測器發展只有2、 3年時間,在品質上仍難與CCO媲美,但是, CMOS終將會取代CCO成為主流,只不過是時間的問題,但CMOS欲成市場主流,需克服的最大的問題是品質。就目前而言,較高畫素的CMOS感測器,面臨到感度、 S/N比不足等問題,影像品質無法與CCD感測器相比,以目前的條件,CMOS感測器要普遍應用在130萬像素以上數位相機市場,時機尚未成熟。

CMOS之所以受到業者青睞,與CCD相較之下, CMOS是標準製程,可利用現有的半導體設備,不需額外的投資設備,且品質可隨著半導體技術的提升而進步,同時,全球晶圓廠的CMOS生產線較多,日後量產時也有利於成本的降低。另外, CMOS感測器的最大優勢,是它具有高度系統整合的條件,理論上,所有數位相機的功能,都可整合在同一晶片上,降低數位相機生產成本。

由於CCD長久以來由日商所掌握,國內若要建立自主性高的數位影像產業,關鍵零組件的掌握是相當重要的,因此有望取代CCD的CMOS便成為台灣的一大機會。目前國內廠商除了積極爭取數位相機市場機會外,已有多家廠商投入CMOS的設計與生產,我國廠商十分適合發展的PC Camera及其他CMOS感測器應用產品,實不宜在CMOS的產業中缺席。

4.    光儲存媒體光碟機、光碟片的產業概況:

國內光碟機在極短的時間竄起,並且迅速的在全球市場佔有一席之地,但因為發展速度太快,以致光碟機整體產業的結構並不完整,依舊是呈現「上瘦下肥」的狀態,也就是說,相對下游產業光碟機廠商的蓬勃發展,屬於上游的重要零組件,迄今尚無法達到自給自足。新一代的數位光碟機DVD,此時適時出現,它結合高畫質,高影音效果,以及高儲存容量的特性,未來遲早會取代CD系列產品。我國發展DVD產業時間相當短,又非主導國家,以致發展過程很難避免上游產業受制於外人的窘境,但我國資金充裕,人才素質高,相信只要順利克服上述發展的困境,不出幾年,我國將繼IC產業之後,成為全球生產DVD的重鎮。我國投資光碟產業,迄今也不過五年的時間,但光碟機在全球的市場佔有率,已達到30﹪,光碟片更有像錸德科技的產量已居全球第一,在在說明我國在光碟產業的爆發力與雄厚潛力。DVD未來取代CD系列產品,已是趨勢,由於我國已累積豐富生產光碟機的經驗,直接切入DVD產業的障礙並不高。

光電產業製造原理與流程

原理及構造

以下文章中將要討論各產品的原理及構造,也是以上述各熱門產品。

1.  發光二極體(Light Emitting Diode,簡稱LED):

發光二極體是一種藉外加電壓激發電子而放射出光(電能)的光電半導體元件。發光現象屬半導體中的直接發光(沒有第三質點的介入)。整個發光現象可分為三個過程(直接發光):

a)價電帶的電子受外來的能量(順向偏壓),被激發至導電帶,並同時於價電帶遺留一個電洞,形成電子-電洞對。

b)受激發的電子於導電帶中,與其它質點碰撞(散射),損失部份能量,而接近導電帶邊緣。

c)一旦導電帶邊緣的電子於價電帶覓得電洞時,電子即從導電帶邊緣,經由陷阱中心(釋放熱能)或發光中心(釋放光能),回到價電帶與電洞復合,電子-電洞對消失。

    因為LED主要是電子經由發光中心與電洞復合而發光,所以是一種微細的固態光源,不但體積小、壽命長、驅動電壓低、反應速率快、耐震性特佳,而且能夠配合輕、薄和小型化之應用設備的需求,成為日常生活中十分普遍的產品。

由於體積小、耗電少,發光二極體(LED)早已成為日常生活中不可或缺的光電元件。在高度資訊化的時代裡,人類除了期望滿足〝知〞的渴望外,也希望能有賞心悅目的視覺效果。而發光二極體自1968年問世以來,初期主要適用於室內的應用,如家電產品、儀器指示等。近年來由於材料科技的突飛猛進,使得LED的亮度不斷升高、多彩化及價格降低,故其應用領域也愈來愈廣,不再侷限於室內,進而邁向戶外顯示器的發展,如第三煞車燈、交通號誌及戶外看板等。LED之所以被廣泛使用,主要的優勢在於他比一般燈泡更加輕量化、壽命長、省電、切換速度快、單色性及可靠度高等優點,所以未來以LED 為主的產品必將大增。因為不同材料的LED會發出不同顏色的光,包括了可見光和非可見光兩種,接下來就來介紹幾種能發出可見光的材料。

Visible LED

(Ⅰ)GaAsP----磷砷化鎵 LED(Ⅲ-Ⅴ族)

1、元件構造與發光特性

GaAs1-xPx 可以作為紅色(X=0.4,655nm)及黃(X=0.85,590nm)、橙(X=0.75,610nm)、綠色(X=1,555-565nm)發光二極體,其結構剖面圖分別如圖3-1及圖3-2所示,最大不同在於紅色LED係使用GaAs做基板,而黃、橙、綠色LED則以GaP為基板。由於發光區域GaAs1-xPx材料之晶格常數與基板相差甚大,無法直接長在基板上,因此均先成長一層組成份漸變層,逐漸將組成份調整至所需比例後再生長一層組成份固定層,但如果是黃色或橙色LED時,則尚須在組成份固定層之最後約20mm參雜氮。P-N 接面是以鋅拓散方式而形成,與一般液相結晶成長法(LPE)直接長成P型層形成 P-N接面者不同。

                                          3-1  GaAsP Red LED

                                          3-2  GaAsP 黃、橙光 LED

GaAs1-xPx材料之能隙與組成份x之關係在0<x<0.49範圍內為直接能隙,因此發光效率較高,如紅光LED(x=0.4)。x>0.49時為間接能隙,發光效率差,如黃光(x=0.85)及橙光(x=0.75)LED。為了提昇間接能隙區之發光量子效率,在結晶成長之最後約20mm參雜氮,可使得發光量子效率增加。一般而言,在直接能隙範圍內之GaAsP材料通常不參雜氮,如GaAs0.6P0.4紅色LED;黃色、橙色或是綠色(x=1)LED則均參雜氮以提高發光效率。此外,由於GaP基板之能隙較黃、橙光之能量大,因此對黃、橙光而言,GaP基板是透明的,發出之光不會被基板所吸收。而GaAs0.6P0.4紅光之能量較GaAs基板大,因此所發出之光會被基板所吸收。因此可以知道GaAsP或GaP 之發光效率都不好。

2、結晶成長技術

GaAs1-xPx紅、黃、橙三色之LED皆以氣相結晶成長法(VPE)長成,以GaAs0.6P0.4紅光LED而言,選擇GaAs 基板之晶格失配率為1.5%,黃光LED( x=0.85),以GaP為基板之晶格失配率為0.6%,而晶格失配愈嚴重則結晶成長時之缺陷愈多,使得結晶品質變差,發光效率降低。

3、應用

GaAsP材料做成之LED,由於前述晶格失配的問題,使得其亮度(為低亮度)不如以液相結晶成長(LPE),晶格匹配良好之AlGaAs高亮度紅色LED,但因其顏色涵蓋紅橙黃三色,因此廣泛地應用於室內之顯示,如家電、汽車儀表、活動看板等,是LED顯示多彩色化不可或缺的元件。

(Ⅱ)AlGaAs----砷化鋁鎵高亮度紅色LED(Ⅲ-Ⅴ族)   

1、元件構造與發光特性

在紅色LED的材料中,傳統的磷砷化鎵(GaAsP;GaAsP/GaAs,發光波長660nm;VPE)及磷化鎵(GaP;GaP(Zn,O),發光波長690nm,LPE)紅色LED技術上都已成熟。然而,在GaAsP方面,由於沒有適當匹配的基板,因此結晶時有缺陷的產生,其發光效率也就無法提昇;而GaP在本質上就無法產生極高的發光效率,所以上述兩種LED的亮度較低,只適合於室內的使用規格。因此,發展適用於戶外的高亮度紅色LED變成為一種重要的技術。

目前市場上的高亮度紅色LED的產品主要集中在AlGaAs此種材料所製成的元件。AlGaAs的主要優點在於:

1)lxGa1-xAs在不同的鋁含量下,其晶格常數皆可匹配於砷化鎵基板,因此可在基板上長成品質佳的AlGaAs結晶層。

(2)        AlxGa1-xAs紅色LED(x=0.35,發光波長660nm)而言,其發光層為直接能隙的材料,因此其擁有較佳的發光效率。

上述的材料特性使得AlGaAs克服了GaAsP及GaP的缺點。

傳統上,雙異質結構的AlGaAs高亮度紅色LED其亮度已可達到戶外應用的規格(亮度須大於1燭光=1000mcd)。然而,上述結構具有一共同的劣勢,即其GaAs基板的吸光效應,由於半導體材料與封裝用的樹脂或空氣的折射係數差異很大,因此在活性層產生的光極易返回晶體內部,如果這些反射光行進至GaAs基板,將被能隙小的GaAs基板吸收而損耗。由此現象可知,如果以較高能隙的AlGaAs來代替GaAs基板(雙面發光型雙異質結構---DDH,如圖3-3),理論上由於AlGaAs基板不吸光,往基板行進的光將有機會經由底部再反射回表面,因此亮度將可提高一倍以上。自從發展出此種DDH結構後,AlGaAs高亮度紅色LED的亮度已可高達5000mcd以上。

3-3 AlGaAs Red LED DDH結構

2、結晶成長技術

AlGaAs高亮度紅色LED量產產業的結晶成長基本上是以LPE技術為主。而對於DDH結構而言,由於必須成長AlGaAs透明基板,所以有二個關鍵問題必須注意:

1)AlGaAs透明基板具有較高的鋁含量,容易產生氧化的問題。

2)基板厚度通常必須大於150mm,隨著厚度增加,晶格缺陷也隨之增多。

3、應用

因其發光效率良好且亮度高,故可用於戶外顯示需要高亮度的產品,如:第三煞車燈、交通號誌及戶外看板等。

(Ⅲ)AlGaInP---- 磷化鋁鎵銦LED(Ⅲ-Ⅴ族)      

1、元件構造與發光特性

前述曾提到作為戶外使用之LED的亮度必須大於1燭光(1000mcd),所以傳統以GaAsP 或GaP為主要材料的橙、黃或綠色LED亮度都無法達到戶外使用的標準,因此發展適用於戶外之高亮度橙、黃或綠色LED變成為一炙手可熱的技術,而磷化鋁鎵銦 (AlGaInP)極為具有此特性的光電寵兒。

由實驗知,欲將磷化鎵銦(GaInP)成長於砷化鎵(GaAs)基板上,兩者的晶格常數必須匹配,匹配下的GaInP組成,是52%的磷化鎵(GaP)及48%的磷化銦(InP),如在GaInP上適度地加入鋁,以取代其中的鎵,既不會改變晶格常數,又可將直接能隙拓寬為1.85至2.3電子伏特間,其化學式為(AlxGa1-x)0.52In0.48P,其中x代表鋁取代鎵的比例。當鋁含量增加時,直接能隙增加,波長隨之變短,使得AlGaInP成為所有三五半導體具有最高能隙之材料。此材料也具有製成橙、黃或綠色發光二極體的潛力,更由於其屬於直接能隙型,故發光效率可望高於現有之GaAsP、GaP LED。目前日本以AlGaInP開發出之橙色(x=0.2)及黃色LED亮度皆可達1000mcd以上,至於以AlGaInP開發出的綠色(x=0.5)LED,由於其活性層組成介於直接、間接能隙轉折點,故發光效率遠小於橙色和黃色LED,然而在適當的結構下,其亮度仍可數倍於現有的GaP綠色LED。如日本及美國做出的AlGaInP黃綠色LED(波長568-573nm)其亮度可達1500mcd。

 前述所提由AlGaInP製造之LED波長逐漸縮短時,其活性層組成介於直接、間接能隙轉折點,這時量子效率會急遽下降。再者由於GaAs基板的能隙小於AlGaInP,故會吸收由AlGaInP所發出的部分光,使其亮度降低,因此綠色AlGaInP LED 必須從結構設計上著手,以提高亮度,其方法有三種:

1)在AlGaInP活性層下方成長一多層反射結構,一來可減少往下漏出而被基板吸收之光,二來也可反射向上發出而又折回的光,達到提高亮度的目的。

2)在P- AlGaInP層上成長一既不吸光又具有良好導電性之電流散佈層(Current Spreading Layer)來加寬發光面積。一般是以P-AlGaAs,鋁含量大於70%以上。而綠色LED時,因為能隙問題,故使用P-GaP為電流散佈層(如圖3-4)。目前由美國製造出波長最短之554nm AlGaInP綠色LED。

3)仿效高亮度紅色LED之DDH結構。在GaAs基板上長一不吸光的AlGaAs基板,此基板的鋁含量須大於0.75,厚度介於70-90微米之間。

2、結晶成長技術

由於AlGaInP中的鋁在固液態之分佈係數差異極大,因此以LPE成長AlGaInP,在鋁含量的控制上相當困難,所以必須採用有機金屬氣相結晶法(MOVPE or MOCVD),或分子束結晶法(MBE)來成長,這是因為不同於LPE,鋁在固、氣相之間的分佈係數幾乎相同,因此可輕易控制固態中鋁含量,再加上MOVPE具有均勻度良好,可長出界面性極佳之薄層結晶及易量產等優點,目前AlGaInP多以此方法長成。                                       

3-4 利用多層反射結構及電流散佈層之AlGaInP LED結構圖

3、應用

因其發光效率良好且亮度高,故可用於戶外顯示需要高亮度的產品,如戶外看板等。

(Ⅳ)SiC----碳化矽藍色發光二極體(Ⅳ族)   

目前主要製作藍色LED的材料為碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、硫化鋅(ZnS)及硒化鋅(ZnSe),碳化矽是屬於間接能帶的材料,其餘皆為直接能帶材料。目前碳化矽的製作方式是以LPE來成長,所發出藍光的亮度平均可達12mcd,平均壽命也在5000小時以上。碳化矽藍色LED目前早有產品問世,且價格也逐漸下降,然而由於亮度偏低,但價格比起其他顏色的發光二極體仍高出很多,而限制了其用途,未來亮度雖可提高至20-30 mcd,但亮度仍太低,因此只是一種過渡型的產品。未來藍色LED的主力仍在氮化鎵(GaN)、硫化鋅(ZnS)及硒化鋅(ZnSe)上。

(Ⅴ)ZnSe----硒化鋅藍色發光二極體(Ⅱ-Ⅵ族)          

1、元件構造與發光特性

硒化鋅在藍色發光元件上受到重視是因為它有一2.68電子伏特的直接能隙,且其可很匹配地長在GaAs 基板上,要長出純藍色的藍色發光二極體已可做到。硒化鋅元件目前以n-ZnSe/p-ZnSe/GaAs 製作(如圖3-5),在300K時,可發出波長為461nm的藍光。

                                      

                                  3-5  Au Zn電極 

2、結晶成長技術

使用MOCVD或MBE已經可以很容易地在晶格常數非常匹配的GaAs上長出品質良好的硒化鋅晶膜。而純藍色的p/n接面硒化鋅LED就是使用MOCVD長成,方法為使用鋁參雜的N型硒化鋅結晶層和氮參雜的P型硒化鋅結晶層來製作,其中N型的硒化鋅結晶層要在鋅較多的條件下成長,P型的硒化鋅結晶層要在硒較多的條件下成長,如此便可製作出純藍色的硒化鋅LED。

3、應用

在全彩化的條件中,必須具備三種基本的顏色,即紅、綠和藍三色,其中紅色和綠色 LED遠早於藍色LED被開發出來,故在藍色發光二極體被開發出來後,及宣告LED全彩化時代已降臨,有助於戶外大型看板視覺上的改進。

(Ⅵ)GaN--氮化鎵藍色LED & InGaN氮化銦鎵高亮度藍色LED(Ⅲ-Ⅴ族)

1、元件構造與發光特性

此種半導體材料的製作是由日本人中村修二(Shuji.Nakamura)博士所研發,當在其研發的時後,大多數人皆一致看好ZnSe材料,但經過中村博士不斷的努力,最後製作出目前極為熱門的GaN藍光半導體元件。GaN採用藍寶石(Sapphire)作為基板,並在基板上先長出一層以GaN為材料的的緩衝層(GaN Buffer Layer)以降低晶格不匹配的問題,最後做出了P-N接面二極體(圖3-6),其在當時已是非常了不起的高功率藍色LED。然而為了提高亮度採用P-GaN/N-InGaN 雙異質結構(圖3-7),此時所發出的藍色光波長為440nm,但其亮度仍不是戶外所能使用的燭光級。

             3-6 P-N接面GaN二極體

                          3-7  P-GaN/N-InGaN/N-GaN DH LED

由於前述的材料結構所發出之光仍不夠亮,且波長偏紫色,故進行結構修改。首先以Zn參雜InGaN發光層以提高亮度,再將GaN改為AlGaN以擴大發光層與夾層的能障,成功地完成了燭光級的高亮度In0.06Ga0.94N/Al0.15Ga0.85N(圖3-8),波長為450nm,發光強度為1200mcd,並進而將此藍色LED商品化。

             3-8 InGaN/AlGaN  Blue LED

2、結晶成長技術

中村博士於1990年9月使用創新技術的雙氣流(two flow)MOCVD,用於GaN的結晶生長,並改良使用GaN作為緩衝層的材料,成功地克服了晶格匹配的問題。再者發現使用熱退火的製程,突破GaN結晶膜P型化的問題。上述兩種技術的突破,可謂造成今日GaN或InGaN藍色發光二極體成功的重大因素。

3、應用

在全彩化的條件中,已有紅色和綠色高亮度 LED,現在藍色高亮度發光二極體也被開發出來後,更有助於戶外大型看板視覺上的改進。

(Ⅶ)InGaN氮化銦鎵高亮度藍綠色LED (Ⅲ-Ⅴ族)

上述中的高亮度藍色InGaN LED,雖然解決了室外全彩化看板的問題,但由於其所發出的光太藍了,所以不適用於交通號誌上。有鑑於此,中村博士將發光層的InGaN中的In含量增加,以使其發光波長能介於藍綠色的範圍。此外,又在InGaN發光層(上圖3-8)中同時參入Zn和Si以提高功率,最後做出波長為500nm,亮度為2000mcd的高亮度In0.23Ga0.77N/Al0.15Ga0.85N藍綠色LED 並進行商品化。

 

(Ⅷ)InGaN單一量子井(SQW)結構高亮度藍、黃、綠、紫LED(Ⅲ-Ⅴ族)

InGaN高亮度藍綠色LED 中的In含量增加時,無法做出波長大於500nm的綠、黃色LED,原因是因為晶格常數不匹配所致。為了改善此現象,中村博士採用了量子井結構來解決此問題(圖3-9),在N-InGaN與P-AlGaN間再生長一層不參雜,僅20Å 之In xGa1-xN單一量子井結晶層作為活性層,並調整其In 含量(不同的顏色時,其三元材料的含量皆不同)以製作SQW高亮度藍色(x=0.2)、綠色(x=0.43)、黃色、紫色(x=0.09)LED,波長分別為450nm、525nm、590nm和400nm ,值得一提的是綠色LED的亮度已達4000mcd為傳統GaP的40倍。

                3-9  InGaN SQW Green LED

2. 液晶顯示器:

隨著網際網路與無線電通訊技術的急遽發展,資訊化漸漸普及於個人,因此可攜式資訊產品,如筆記型電腦、行動電話、數位相機、及個人數位助理等,均快速發展與成長。由於液晶顯示器具有薄型化、輕量化、低耗電量、無輻射污染、且能與半導體製程技術相容等優點,並順應著這股網際網路數位資訊化市場的興起,使其在短短三十年間,產品之應用更呈飛躍性的成長。由早期的簡易手表、計算機等低資訊容量顯示產品的應用,漸漸擴及精細化的監視器或可攜式資訊產品。其技術涵蓋材料、設備、製程、產品特性等諸多層面的開發,真可謂是一日千里。時至今日,更以驚人的氣勢持續成長,儼然成為下一代平面顯示器件市場的主流。

1、認識液晶

何謂「液晶」?液晶是一種兼具液體的流動性與晶體的一定規則排列性的材料,所以稱為液態晶體。液晶的發現已有一世紀之久,早在西元1888年時,奧地利植物學家雷尼哲(Reintzer)在加熱安息香酸膽石醇時,意外地發現該物質的異常熔解現象,因為此物質加熱至攝氏145 度會熔解成白濁狀的液體,而且若再繼續加溫至攝氏179 度時,則呈現透明的均方向特質液體(均向液體)。反之,再從高溫逆轉降下時,也可以發現在攝氏179 度以下時,透明液體漸漸轉成混濁狀,且下降至攝氏145度時又形成固體的結晶態(如圖3-10)。

3-10 溫度改變造成液晶狀態的改變

其後,德國物理學者萊曼(Lehmann)利用偏光顯微鏡觀察此安息香酸膽石醇的混濁液體時,發現此液體具有晶體所特有的異方向性特質,因此證實了液晶的存在,也同時開啟了液晶材料的開發研究與應用技術。液晶分子容易因受外力作用而流動,且具有類似單軸晶體的異向特性,也就是材料的光折射率、介電常數、磁化率、及黏度等特性會隨著方向的不同而有所差異。因此,在許多應用上,均是利用液晶分子受外界刺激後,分子的配列將發生變化,導致其光學或電氣特性也跟著變化,而將此材料應用於顯示器、光電元件、及感測器等元件上。

2、液晶顯示器的基本原理

由於液晶顯示器是以液晶分子材料為基本要素,將這白濁的液晶分子夾在經過配向處理的兩片玻璃板之間,即可組合成目前熱門而且與我們日常生活息息相關的液晶顯示器件。這個介於固態與液態之間的中間態分子,不但具有液體易受外力作用而流動的特性,亦具有晶體特有的光學異方向性質,所以能夠利用外加電場來驅使液晶的排列狀態改變至其他指向,造成光線穿透液晶層時的光學特性發生改變,此即是利用外加的電場來產生光的調變現象,我們稱之為液晶的光電效應。利用此效應可製作出各式的液晶顯示器,如扭轉向列型液晶顯示器、超扭轉向列型液晶顯示器、及薄膜電晶體液晶顯示器等。

我們舉扭轉向列型液晶顯示器的構造來加以說明。扭轉向列型液晶顯示器的基本構造為:上下兩片導電玻璃基板,在導電膜上塗布一層經由摩擦而形成極細溝紋的配向膜,當向列型液晶灌注入上下兩片玻璃之間隙時,由於液晶分子具有液體的流動特性,因此很容易順著溝紋方向排列。在接近基板溝紋位置時,液晶分子所受的束縛力較大,所以會沿著上下基板溝紋方向排列,而中間部分的液晶分子束縛力較小,在液晶盒內會形成扭轉排列。因為在液晶盒內的向列型液晶分子共扭轉90度,故稱此工作模式為扭轉向列型。另外,上下基板外側各加上一片偏光板。

接著,我們進一步說明此顯示器的明暗對比顯示動作原理。首先,由白色背面光源所射出的光通過第一偏光板後,自然光即被偏極化為線偏極光,在不施加電壓時,則此線偏極光進入液晶盒內,逐漸隨著液晶分子扭轉方向前進,因上下兩片偏光板的穿透軸和配向膜同向,即兩偏光板的穿透軸互相垂直,故光可通過第二片偏光板而形成亮的狀態。相反地,若施加電壓時,液晶分子傾向於與施加電場方向呈平行,因此液晶分子一一垂直於玻璃基板表面,則線偏極光直接通過液晶盒到達第二片偏光板,這時光會被偏光板所吸收而無法通過,形成暗的狀態(如圖3-11)。因此,利用適當驅動電壓即可得到亮暗對比顯示的效果,此顯示畫面即為一白底黑字的模式。

                3-11 扭轉向列型液晶顯示器之工作原理

3、液晶顯示器顯示模式與種類

液晶顯示器依據驅動方式的差異可分為二大類:被動式驅動及主動式驅動技術二種(如圖3-12)。前者的液晶顯示器面板乃單純地由電極與液晶所構成,並在上下基板配置行列矩陣式的掃描電極和資料電極,直接運用與掃描訊號同步的方式,由外部電壓來驅動各畫素內的液晶,以達到對比顯示之作用。然而當畫面密度愈高時,掃描線數就愈多,則每一畫素所分配到的驅動時間愈短,此將造成顯示對比值的降低。為改善對比問題,可利用主動矩陣的驅動方式,運用薄膜電晶體或金屬絕緣層金屬二極體的主動元件來達到每個畫素的開關動作。當輸入一掃描訊號,使主動元件為選擇狀態(開)時,所要顯示的訊號就會經由該主動元件傳送到畫素上。反之,若為非選擇狀態(關)時,顯示訊號被儲存保持在各畫素上,使得各畫素有記憶的動作,並隨時等待下一次的驅動。因此,這種模式即使是在高的占空比情況下,也可以得到良好的顯示畫質。

一般而言,被動式的多工驅動顯示器畫質與響應速度,比同級的主動驅動產品要來得差。另因液晶顯示器並不同於其他自發光性顯示器件,在整個顯示器件中,液晶盒扮演著光閥的作用,藉由不同的驅動電壓來改變液晶的配列狀態,進而控制通過此光閥的照明光亮度,以達到灰階的顯示效果。而依據照明光的來源可將液晶顯示器的顯示效果模式分為穿透式、反射式、及半穿透反射式的顯示器件。穿透式顯示器是由液晶面板與背光源所組成,整個顯示器的光量是由面板下方的背光源所提供。反射式液晶顯示器則是以外界環境光為光源,並利用液晶面板下方的反射板將照明光予以反射,這種模式省去了提供光源的背光模組,所以降低整個液晶顯示器的製作成本,且大幅減少電源的消耗功率,當戶外光越強時,其所呈現的影像愈清晰。

                         3-12 液晶顯示器的被動與主動矩陣驅動技術

3. 數位相機工作原理

數位相機是由光、機、電一體化的產品。它的核心零件是

CCD(Charge Couple Device,電荷耦合原件)影像偵測器。CCD是使用一種高感光度的半導體材料製成,在光線作用下,可將光線作用強度轉化為電荷的累積,再通過模數轉換晶片轉換成數位信號(也就是0與1的訊號),數位信號經過壓縮以後由數位相機內部的快閃記憶體或內置儲存媒體來保存,因而可輕易的透過各種方式把影像資料傳輸到電腦,並借助電腦的處理手段,根據需要來修改影像。

1、數位相機與傳統相機的比較

數位相機的最大優勢在於利用數位化的資訊,可以借助遍及全球的數位通信網及時傳送(例如Internet),得以實現影像的即時傳遞。它的外觀,部分功能和操作方式與普通的35mm相機差不多,但毋須對焦、設置快門速度等(但是少數的專業型數位相機操作方式卻和傳統相機一般)。此外,數位相機與傳統相機相比,還有以下幾個不同點:

a)處理時間不同:

從按下快門到數位相機真正地儲存下影像之前,需要延遲約1﹒5秒。這是由於需要進行光感測器讀取景像、高速光圈或改變快門速度、檢查自動聚集、打開閃光燈等,將所拍攝下的影像轉成數位元信號等操作,因此數位相機並無法做到像傳統相機一般的連續拍攝,即使數位相機有這樣的功能,也是犧牲了高解析度而遷就至低解析度的影像才可作到,另外由一張拍攝完成到準備拍攝另外一張影像的時間伴隨著解析度大小而有所不同,簡單的說,就是解析度越高,所花費的時間越多。

b)儲存媒體不同:

數位相機攝取的影像以數位元方式儲存在記憶卡上,而傳統相機的影像則是以化學方法記錄在鹵化銀的底片上。

c)影像品質不同:

用傳統相機拍攝的影像晶狀格會遠遠小於CCD採集的影像圖元數,其次傳統相機的鹵化銀膠片可以補捉連續色調和色彩,而數位相機的採集原理只能是亮或暗兩種情況;此外,數位相機的CCD在較亮或較暗的光線下會丟失部分細節,並且有時很難校正;它適宜使用單調光、使用閃光燈或HMI光源拍照,會得到令人滿意的效果。同時一個典型的35mm傳統相機解析度一般可以輕易達到2500dpi,而數位相機無法達成如此高的解析度。

d)輸入輸出方式不同:

數位相機拍攝的影像可直接輸入電腦,經由影像處理軟體處理後列印出來。傳統相機的影像則必須在暗房裡沖洗,想要進行處理必須通過掃瞄器輸入電腦,掃瞄得到的影像品質必然受到掃瞄器精度的影響。這樣,即使它的攝影品質很好,經過掃瞄以後得到的影像就差得遠了。

照這樣說,數位相機所得到的影像是不是只能利用印表機輸入成相片呢 ﹖其實並不然,現在矗立在各大街頭的相片沖洗店,店頭招牌已經漸漸加入一行字『數位影像輸出中心』,也就是說傳統的沖洗店已經追上了時代的潮流,加入了數位相機的影像輸出服務,只不過鑑於沖印裝置建購成本比起傳統的自動沖印設備來的昂貴(大約一部機器在八百萬元左右)所以設立點並不是很多,可是在趨勢的引導下,數位沖洗店已經朝向加盟的方式經營。所以在不久的將來,數位沖洗店將與傳統的沖洗店一樣普及。

e)成本的不同:

傳統相機要沖印成相片,必須交給相片充洗店作相片沖洗,但是數位相機可不用這樣的麻煩,因為可供輸出的管道十分的多,例如可用噴墨印表機、相片印表機、數位沖洗店,甚至最新的技術是採用透過Internet傳輸影像到數位沖洗店的電腦中,然後經由數位沖洗店輸出之後,交由快遞送至收件者家中,這樣的方式,可以節省往返車勞的時間,也方便無法到沖印店送件的使用者。

經過調查顯示,數位相機的功能上具有明顯的優點,便於在電腦上進行編輯處理,存儲量大,易於傳輸並可長期保存;只要具備適當的輸出設備,輸出也相當方便快捷,這些優勢是普通相機所無法比擬的。但與此同時,數位相機尚存在一些明顯的不足,機體價格昂貴是首要問題,因為數位相機是採用電子式構造,基於機密度的考量,所以數位相機的價格一直無法平民化。

影像的品質也有待提高,這個缺點只有朝增加解析度與技術的進步才可以解決,另外數位相機的拍攝受環境限制,曝光動作時間長和不易操作也限制了它的普及。還有最重要的一點,就是數位相機所攝成的影像輸出成本比起傳統底片輸出成相片還要來的昂貴。

 

總體而言,價格是阻礙我國數位相機市場迅速發展的首要因素。數位相機的價格令大多數的人敬而遠之。其次,國內數位相機的市場剛剛起步,產品性能有待提高,必然涉及到售後服務的完善程度,相關產品的配套等問題;使用上的侷限與操作上的困難也增大了它與人們的距離。另外,產品的宣傳活動及形式也是數位相機普及的關鍵一環。

4. 光儲存器---光碟機與光碟片---工作原理

(Ⅰ)光碟機:

      當碟片放置於碟片槽中,讀寫頭(pickup hand)負責發射雷射光(Laser)及讀取由碟片反射回來的光訊號,此光訊號透過光偵測器(photo detector;PD)將光訊號轉變為電流/電壓訊號,在將此電訊號送至前端信號處理單元(RF-Amp)進行訊號處理與放大,並由這些信號忠貞測出藉以執行伺服控制的相關訊息,這些訊息與信息送至其後的資料剖析器(Data Separator)及伺服控制器(Servo)還原訊號中的時脈訊息與EFM/EFM plus信號,並執行聚焦(Focus)、尋軌與循軌(Tracking)與主軸馬達(Spindle)伺服等功能,以確保能正確的讀取資料。訊號處理單元(Digital Signal Processor;DSP)接收資料剖析器(Data Separator)的訊號進行解調變(MPEGⅡ/AC-3 decode)與訊號錯誤偵測與校正(RS-PC Error Correction),之後轉變成類比訊號於電腦螢幕上輸出。

(Ⅱ)光碟片:

光碟片(Compact Disk;簡稱CD)是利用光能來做記錄與讀取之儲存媒體,具有高記錄密度(容量大)、雜訊小、壽命長、體積小、攜帶方便、成本低、且讀取時能不受表面灰塵影響等優點,其使用範圍相當廣泛,可記錄和讀取包括文字、圖形、影像、聲音、視訊及動畫等資料,已成為音樂、電影、遊戲軟體及電腦資訊主要的儲存媒體。光碟片就功能性有預錄型產品及記錄型產品,預錄型是將儲存的資料以凹凸形式預鑄在光碟片上,使用時再以雷射光束讀出;記錄型是使用較高能量之雷射光束將記錄資料儲存(燒錄)於光碟片之記錄層;記錄型又分為僅寫一次型與可重覆記錄型。

1、產品演進歷程

1980年Philips與Sony公司共同為數位音樂光碟片(CD-Audio)制定標準播放規格稱為紅皮書(Red Book),開啟光記錄技術在消費性電子產品之應用;因應電腦資訊業對於大量資料儲存的需求,1983年Philips與Sony公司以紅皮書為基礎發表黃皮書(Yel1ow Book)訂定CD-ROM標準規格(僅考慮資料結構的規範),直到1988年High Sierra小組訂定ISO9660檔案系統格式標準,規範記錄區邏輯格式與光碟檔案系統等標準,使各類CD-ROM光碟片可通用Macintosh、MS-DOS、Unix、VAX/VMS等各種電腦作業平台,進一步促成光碟機產業的成功發展。隨著多媒體產業的蓬勃發展,CD產品整合文字、圖形、聲音、影像及動畫等應用,DVD論壇(DVD Forum;詳附件二)會員如Toshiba、Sony、Philips、JVC、Hitachi等陸續發表綠皮書(Green Book)規範CD-I、白皮書(White Book)規範Video CD及Karaoke CD、藍皮書(Blue Book)規範CD-Extra與橘皮書(Orange Book)規範CD-MO、CD-R及CD-RW,其中綠皮書並包含光碟機硬體規格標準。

近年軟體程式複雜化及消費者對影、音品質需求不斷提高,儲存容量650MB的CD光碟片已逐漸無法滿足需求,新一代高儲存容量的DVD(Digital Versatile Disk)系列產品運應而生。DVD產品發展初期即由電影業者與電腦業者共同參與,以消費性電子與電腦資訊產品(DVD-Video、DVD-Audio、DVD-ROM、DVD-R與DVD-RAM等)同時並進,因產品規格之制訂意見紛歧,使得部分產品推出延後;1996年9月全球分區【第一區為美加地區;第二區為西歐、北歐、日本、南非;第三區為東南亞地區(包括台灣);第四區為中南美洲、紐西蘭、澳洲等地;第五區為俄羅斯、蒙古、中亞、非洲、北韓;第六區為中國大陸】流通限制達成協議後,正式制訂DVD-video規格(DVD Book B),同年11月電腦資訊業制訂DVD-ROM規格(DVD Book A),1997年分別制訂DVD-R(DVD Book D)與DVD-RAM(Digital Versatile Disk-Random Access Memory;可記錄數位影音光碟片)規格(DVD Book E),1999年2月DVD論壇(DVD Forum)的Working Group-4(WG4)制訂DVD-Audio v.1.0規格(DVD Book C)。光碟片產品之演進歷程與規範詳表3-1。

 

3-1 光碟片產品演進歷程與規範

2、產品種類及應用

光碟片產品種類及應用分述如下(詳表3-2)

a)CD系列

*預錄型(Read Only Memory;ROM)

儲存的資料預鑄在光碟片上,使用者無法自行記錄資訊,僅可讀取資料。透過一片光碟片母版即可大量複製生產,故其價格便宜。產品如CD-Audio、CD-ROM、Video CD、 CD-I等。

*僅寫一次型(Write Once And Read Only;R)

CD-R光碟片是使用較高能量之雷射光束(光碟燒錄機)將記錄資料儲存(燒錄)於光碟片之記錄層,資料存入後就無法改變,具有可長久保存、可靠性及無法塗改的特性,CD-R光碟片被廣泛應用於資料的儲存(如交易記錄、企業財務及會計資料、警政犯罪記錄、醫療記錄、氣象記錄及軍事偵測記錄等)。

*可重覆記錄型(Rewritable;RW)

CD-R光碟片上的點(Pits)經燒錄即無法修改,無重覆記錄的功能,具可覆寫特性的CD-RW光碟片可解決其缺點。目前主要可重覆記錄型光碟片有MO (Magneto- optic)光碟片及CD-RW光碟片兩種,以採用CD-RW居多。可重覆記錄型光碟片主要應用於常需更改之設計及圖形資料。

b)DVD系列(直徑有120mm及80mm兩種)

DVD系列產品是延續CD系列產品發展出來,所以DVD系列光碟片依其功能與記錄方式之不同,仍可分為預錄型(如DVD-ROM、DVD-Video與DVD-Audio)及記錄型產品【如DVD-R、DVD-RAM(Digital Versatile Disk-Random Access Memory;可記錄數位影音光碟片)、DVD-RW、DVD+RW】,其中DVD-RAM由DVD Forum主導發展、DVD-RW規格由Pioneer公司獨自推出;DVD+RW規格由Sony、Philips等公司推出。

DVD光碟片以記錄層可分為單面單層、單面雙層、雙面單層與雙面雙層四種。直徑120mm產品分別為單面單層光碟片儲存容量約4.7GB(簡稱DVD 5)、單面雙層光碟片儲存容量約8.54GB(簡稱DVD 9)、雙面單層光碟片儲存容量約9.4GB(簡稱DVD 10)與雙面雙層光碟片儲存容量約17.08GB(簡稱DVD 18);至於直徑80mm產品分為單面單層光碟片儲存容量約1.4GB、單面雙層光碟片儲存容量約2.6GB、雙面單層光碟片儲存容量約2.8GB與雙面雙層光碟片儲存容量約5.2GB。

3-2 光儲存媒體種類及應用

3-2 製造流程

    以下文章中將要討論各產品的流程,也是以上述各熱門產品。

1.  發光二極體(Light Emitting Diode,簡稱LED):

LED在生產過程中,通常依上、中、下游進行分工。上游的主要產品為單晶片與磊晶片,單晶片是原材料的基板,大多為Ⅲ-Ⅴ族化合物的半導體材料,如砷化鎵(GaAs)或磷化鎵(GaP)等;磊晶片則是在單晶基板上成長多層不同厚度之多元材料的單晶薄膜,常用的技術有液相磊晶成長法(Liquid Phase Epitaxy;LPE)及有機金屬氣相磊晶法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy;MOCVD)等。

上游的生產流程順序:原料(Ga、As、P等)→單晶棒→(GaAs、GaP等材料)→單晶片(single wafer)→在單晶片上成長多層的磊晶→磊晶片。

中游廠商依LED元件結構之需求,先金行金屬蒸鍍,然後在磊晶片上光罩蝕刻及熱處理而製造出LED二端的金屬電極,接著將基板磨薄、拋光之後,再切割為微細的LED晶粒。

中游晶粒的製成流程:磊晶片擴散→製成金屬電極(metallization)→金屬蒸鍍→光罩蝕刻→熱處理→晶粒切割。

下游則屬於封裝業,將晶粒黏著在導線架上,再依各種不同的應用,封裝成燈泡型、數字顯示型、點距陣型、表面黏著型(SMD)及集束型(cluster)LED等成品。

2.  液晶顯示器:

       LCD之製造流程(以TFT彩色液晶顯示器為例)可區分為:

(1)            面板成型製作(2)彩色濾光片製作(3)CELL組裝製程及(4)LCD模組組裝(詳見圖3-13)。

 

3-13  TFT彩色液晶顯示器流程

3.  光碟片:

  不管生產何種CD,都必須經過幾個程序,包括了射出製膜(Injection Molding)、染料鍍膜(Dye Coating)、濺鍍(Sputtering)等主要製造程序(如圖3-14所示)最後分別加上一道Lacquer Coating(CD製程)及Bonding(CD-R製程)包裝後,即可出貨。

 

3-14  CD與CD-R製程