LED技术发展和应用状况调查

1、课 程 论 文LED技术发展和应用状况调查姓名： 陆宇威 学号： 201230800315 班级： 12级 3 班 专业： 光信息科学与技术 华南农业大学理学院应用物理系LED技术发展和应用状况调查摘要：LED( light emitt ing diode) 是发光二极管的英文缩写，它是一种电致发光器件。目前，LED产业已经走过了它的发展初期和中期，普通LED的应用已经成为过去，高亮度LED的使用也已无需着力推广。另外，中小功率超高亮LED亦已诞生，并正在以极快的速度走向应用。这些情况都表明，LED产业的发展已经进入到了成熟期。虽然以LED 为核心的科研、生产、应用已经具备了相当的规模，但LE

2、D 的低功耗、长寿命、高可靠、抗冲击、快响应等诸多优点仍会进一步推动LED产业的发展。本文就LED技术发展历史、现状及展望和LED的应用作简要概括。 关键词：LED 技术发展 应用状况 LED光电转换效率包括内量子效率和外量子效率两部分。内量子效率主要取决于外延材料的质量及外延层的结构。外量子效率则取决于芯片及封装技术。外量子效率=内量子效率×出光效率，目前，LED 的内量子效率已接近极限100 %，所以提高出光效率对提高外量子效率非常重要。自19世纪60年代LED问世以来，随着材料及半导体工艺的发展，LED 已开始应用于指示灯、数字和文字显示，但性能参数（如功率、光强、色温、发光效

3、率等）的制约，局限了LED向照明领域的应用。LED前期的技术研究重点在发光效率的提升上，中期注重光束质量，后期则把主要关注点转向了封装散热。1 半导体LED的工作原理LED（light emitting diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它是由- 族化合物，如GaAs，GaP，GaAsP等半导体制成，其核心是PN 结，因此它具有一般PN 结的I-V 特性。特别是，它可以直接把电转化为光，具有发光特性。LED是典型的工作在正向偏置条件下的PN 结器件。由直接带隙半导体组成的P-p-N 双异质结在正向偏置电压下，高浓度电子和空穴从N 型和P型Al-Ga-As层注入到p型GaAs有源

4、区。当有源区厚度小于载流子扩散长度时（有源区厚度为0.5 2.0m），由于电中性条件要求，注入到导带的电子和注入价带的空穴是相等的，且均匀分布在有源区中。在电注入激励条件下，有源区内的电子和空穴产生辐射复合（发射光子）和非辐射复合（不发射光子）。2 LED的技术发展过程2.1 材料的发展波长的扩展理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即1240 /Eg（mm）。式中: Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（ 在380780 nm），半导体材料的Eg 应在3.61.63eV 之间。光的波长是由形成PN 结的材料决定的，而波长决定光的颜色（红640750 nm

5、,橙600640 nm，黄550600 nm，绿480550 nm,蓝450480 nm，紫400450 nm）。1962年，美国用GaAsP材料成功开发出全球第一颗LED（红色）。在其后40多年中，LED 经历了GaP（550 nm绿色）、GaAsP（650 nm红色、橙色和黄色）、GaAlAs（680 nm红光）和InGaAlP（590 620nm黄橙黄）等多种材料的形式，但发光颜色长期局限于红色和黄绿色。1993年，日亚公司的研究人员Nakamora首次成功地研制出氮化物LED，实现了蓝色半导体发光，进而于1996年实现了白光LED。就光色而言，到2003年时，LED 光源几乎完全涵盖了

6、位于CIE（国际照明委员会）色度曲线内部的饱和颜色，LED 与荧光组合可以产生任何一种颜色。2.2 白光LED的实现GaN基蓝光LED、荧光粉一般白光LED的生产技术包括采用RGB三色晶粒、蓝光LED+ 黄色荧光粉、蓝光LED+绿、红两色荧光粉、UV LED+ RGB 三色荧光粉，以及采用ZnSe材料以发出白光等五大技术。其中，蓝光LED 加上黄色荧光粉产生白光是目前所有技术中最易实现的,具有成本低、寿命长、亮度及可靠度高等优势。氮化镓基（GaN）材料是目前世界最先进的半导体材料，具有内、外量子效率高等特性，可制成高效蓝、绿光发光二极管LED，并可延伸到白光LED，将替代人类沿用至今的照明系统

7、。各种增加白光LED 发光光谱连续性的方案被提出来提高其显色指数；选用小粒径的荧光粉可以显著提高产品的光色均匀性（在色8 000 K时，可提高50% 以上）；采取荧光粉保形涂覆技术（conforma lly coating），可将出光均匀性提高10倍；使用纳米量子阱作为有源层的有机/无机LED，能获得一个具有高纯度饱和度且色彩可调的窄带宽。2.3 结构的发展发光效率的提升1991年以来，材料技术与芯片规格和形状的组合，使提供的流明通量大幅提高。基于匹配衬底所做的低缺陷密度的LED可获得最佳的发光性能，如SiC上所做的器件具有更小的位错密度，基于该衬底的各色光LED的性能优于在蓝宝石衬底上依靠侧

8、向生长来减小位错密度的LED性能；增大芯片面积也能提高发光效率；结构化芯片形状的设计由最初普遍采用的低出光率的台面结构（长方形）发展为倒金字塔形（化学刻蚀）以及六棱锥形，采用这些新颖的结构可以从芯片中提取更多的光。随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进，在芯片生长过程中引入了MOCVD外延生长技术、分布式布拉格反射（DBR）的结构、光学微腔（RC）以及量子阱结构（QW）、功率型LED的多量子阱结构（MQW）等，使得半导体照明用的发光二极管发光效率不断提高，2010 年已突破100 lm/W。同时将芯片采用倒装焊结构及纹理表面取光结构（即表面粗化）也能提高LED 的外量子效率和取光率。2.4

9、工艺的发展单色功率的提升早期红色LED（GaAsP）的性能只有0.1 lm/W的输出通量，掺氮使其效率提升了约10倍。到1971年，绿色芯片实现了类似的效率。上世纪80年代早期，AlGaAs LED的生产技术得到突破，可以以高达10 lm/W 的效率产生红光。1990 年，In-GaA IP（590620 nm黄橙黄）技术提供了与最佳红色器件同等的性能，较当时的标准GaAsP器件（红色、橙色和黄色）要好10倍。2003年时，透明基底lnGaAIP的LED器件提供几流明到几十流明的输出功率。更新的工艺使得每个器件中封装了更多的LED或多个器件安装在一个装配件中，使得其流明输出能够与微型白炽灯相当

10、。1990年前后SiC基底的蓝色LED问世，其效率仅0.04 lm/W，随后GaN基LED在技术上取得突破。随着高亮度蓝光LED的技术进步，2006年时，用蓝光激发荧光粉发出白光的LED发光效率大都已超30 lm/W，某些产品已超过50 lm/W的水平。2.5 封装技术粘结材料和基板LED散热的关键环节：随着LED器件输入功率的提升，粘结材料的导热性能需要由弱变强。粘结材料从普通导热胶到导电型银浆、锡浆；常用的散热基板材料包括硅、金属（如铝、铜）、陶瓷（如Al2O3、AIN、SiC）和复合材料等，综合评估基板的加工难易度、成本、比重、热膨胀系数、热导率、强度与硬度等指标，金属基复合材料（如Al

11、SiC）脱颖而出，广泛应用于大功率LED 封装中。提高出光率的2个关键：1）降低遮蔽、增加光透率；2）强化光折射、反射率。 2.6 芯片制备技术大功率LED 芯片制备技术主要目的是提高出光效率，进而提高外量子效率。近年来一些新的技术手段已被用来提高外量子光效益，下面简单介绍几种。(1)表面粗化技术：通过化学腐蚀等方法使外延表面形成某种光学微结构，来减少全内反射的光，从而提高出光效率，出光效率可提高65%，同时解决了漏电参数不稳定，重复性差的问题，实现了批量生产。(2)倒装芯片技术：将蓝宝石一面作为出光面，较好地解决了电极挡光和蓝宝石不良散热问题，提高了散热效率，出光效率约增加1.6倍。早期倒装

12、在Si衬底上，2007年开始已倒装在陶瓷衬底上，进一步提高了出光效率。(3)氧化铟锡(ITO)透明电极：传统的NiAu合金电极对可见光的透过率仅为60% 70%，而ITO 的透过率可达90%以上，因此利用ITO透明电极的高可见光透过率和低电阻是提LED 出光效率的有效途径之一。(4)分布布拉格反射层(DBR)结构：布拉格反射层是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构，它在有源层和衬底之间，能够将射向衬底的光利用布拉格反射原理反射回上表面，极大地减小了光从衬底出射，从而增加光的外量子效率。此结构可以直接利用MOCVD设备进行生长，有很好的成本优势，目前已经应用于商业生产。(5)光子晶体：通过

13、晶格构造的设计来人为控制光的传播，人工控制材料的折射率及其透射和反射特性，提高LED 的出光效率。在光子晶体的加工工艺上，激光全息光刻和纳米压印技术适用于大面积制作，且生产效率高、成本低、工艺过程简单。电子束光刻和干法刻蚀相对较成熟，但有刻蚀速率、制作效率等方面的局限，适于实验室研究。(6)图形化衬底PSS技术：通过在蓝宝石衬底表面制作细微结构图形，能有效降低体内的位错密度，从而提高器件的内量子效率；而且图形化衬底能使原本在临界角范围外的光线通过图形的反射重新进入到临界角内出射，从而提高了出光效率。PSS衬底技术工艺简单、成本低廉、显著改善器件性能，成为现阶段大功率LED器件的首选衬底技术。(

14、7)薄膜技术：薄膜技术可以将金属层集成在LED内。这种“镜子”能将芯片内产生的光反射到LED顶部，并使光线从顶部射出，避免了光线或能量的损失，因而可大大提高LED的出光效率。此外还有衬底激光剥离技术（LLO）、三维垂直结构芯片、交流芯片等新结构和新技术，它们都给芯片带来了技术创新。国际上主流的照明级LED 芯片及器件制造商有着各自独特的外延和芯片技术路线。3 LED的技术展望MOCVD外延生长技术的引入使LED的内量子已超过80%，提高的空间不大，但因为外量子效率低也是导致总的出光效率非常低的原因，所以目前解决出光效率低的技术首选垂直结构和光子晶体。现有蓝宝石衬底近几年内仍将是结构发展的主要技

15、术路线，衬底材料中蓝宝石和与之配套的垂直结构衬底的激光剥离技术仍将在较长时间内占统治地位。未来非极性面外延技术有望解决目前三基色LED集成的最大障碍是绿光LED高功效的问题。用GaN衬底外延生长手段来抑制光衰的技术在57年内有望得到突破。重大装备和原材料的国产化是降低成本的重要且有效的途径之一。国内封装与国外相比没有明显的差距，但国内当前的专利类型仍以实用型为主，技术创新性有待进一步的提高。3.1 发展趋势（1）发光效率不断提高从LED技术发展来看，欧美及日系厂商仍是重要竞争者。就技术水平而论，目前以美国Cree公司最为领先。2010 年Cree公司的白光LED的实验室光效已提高到208 lm

16、/W，这是目前的最高水平。首尔半导体的主打产品Acriche是世界上唯一可以在交流电源下无需直流交流转换器就能驱动的半导体光源，比直流LED 更加节能和更具成本效益。（2）成本不断下降成本高是LED推广应用的障碍。产生1000 lm的光通量，白炽灯的成本小于1美元，荧光灯的成本小于2美元。而LED光源产生1 000 lm的光能量，使用十颗大功率LED的成本超过了20美元。LED的成本问题是与LED技术层面瓶颈的解决紧密相连的。预计到2015年白光LED的成本将可与荧光灯相当，其技术关键是配备了大量的小型LED封装。综上所述技术发展的趋势为：（1）高功效技术的研发水平加快；（2）成本急剧下降。技

17、术创新步伐明显加快，推动LED照明实用化进程。4 LED应用状态4.1 风光互补LED路灯太阳能和风能有很好的互补性，因此风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。路灯是城市最常见的基础设施，同时也是城市的耗电大户。为数量众多的路灯铺设低压输电线路不仅耗费人力物力，线路上的损耗也不容小视，所以为城市安装风光互补路灯是一项可行的节能减排措施。目前大功率LED路灯基本上是采用5000K6000K色温的白光，作为道路照明光源，在视觉感觉上过分阴冷甚至阴森，同时远视时眼睛的观察能力会下降，在这方面的一些研究中证明，低于3000K的黄光或暖白光是比较适合道路照明的。高压钠灯的相关色

18、温(Tcp)为2100K左右，属暖色温，其显色指数(Ra)只有2325，显色性低；而LED路灯现在使用的色温多大于5300K，属冷色温，较好的产品，其Ra可达7080，显色性好。作为机动车行驶的快速道、主干道，偏黄色光的钠灯，对看清前方90160m左右距离路面状况，效果比白色光略优，特别是对有雾、多尘的空气条件下，钠灯较有优势，相对的LED路灯射程短,在较高高度下工作,灯光就显的很暗。对于人行道、商业步行街、居住小区等道路，LED的显色性优于钠灯，分辨人的状况更清晰，较有优势。对光源的维护，高压钠灯直接更换光源电器，成本较高。而对于LED路灯，现在很多大功率LED灯珠内部集成了齐纳二极管，单颗

19、LED灯珠损坏不会影响整体灯具的亮度，不必要更换，但是要整个光源更换，现场的维护就无法进行，一旦出现整体故障时，只能整个灯具进行替换维修，这对使用单位来说是不方便的，还有待今后解决。据2013-2017年中国风光互补路灯行业发展前景与投资预测分析报告数据显示，中国现有城乡路灯总数，大约在2亿盏，并以每年20%的速度增长，假如这2亿盏400瓦或250瓦高压钠灯全部改成150瓦或100瓦风光互补LED路灯，并且每盏路灯每天工作12小时，在1年内将节约1500亿度电。而三峡水电站在2010年的发电总量为840亿度电。因此把全国2亿盏路灯全部改为风光互补路灯后，所节省的电量相当于1.8个三峡水电站20

20、10年的全年发电量。4.2 LED在汽车灯具中的应用LED在仪表、电信等信号指示上的初步应用，形成了LED 早期的应用市场，但由于其光强度、光衰减等性能指标问题还无法在汽车灯具中获得广泛应用。80年代后期伴随高亮度发光二级管技术的出现，LED在车外照明信号的应用成为可能。典型标志性事件为: 1988 年Nissan在280Z汽车上首次使用STANLEY生产的72只AlGaAs红色高亮度LED作为汽车高位制动灯。从此，LED 正式进入汽车照明市场。90年代，LED的材料开发不断演进，Toshiba和Hewlett-Packard在1991年共同开发出以磷化铝镓铟(InGaAlP)制成的四元素高亮

21、度LED。在技术上和批量生产上，为汽车灯具光源的LED 化铺平了道路。进入二十一世纪，LED 技术突飞猛进，并逐渐取代白炽灯、真空荧光等传统光源被广泛组合应用到汽车仪表背光照明、操作开关、顶灯、阅读灯、门锁灯等车内照明上。另外，LED 可靠性强、使用寿命长、色纯度高、响应速度快、体积小便于设计等优点得以突显，在汽车外部照明方面也得到越来越普遍的应用。特别是最近几年，LED车灯被广泛应用于转向信号灯、制动灯、位置灯、倒车灯、雾灯、牌照灯等灯具上，已经成为汽车潮流的新宠。目前，80%以上的欧系和日系汽车安装了LED高位制动灯。市场上几大汽车领导厂商也不断推出以LED为光源的新型汽车， 像日系的To

22、yota、Mitsubishi、Honda、Nissan 等厂商推出的Teana、Crown、Reiz，美系通用汽车旗下的Cadillac、Buick，以及德系车厂的Mercedes-Benz、BMW、AUDI 等都已采用LED 尾灯，并逐渐形成了LED 汽车灯具的产业化。伴随LED 模块技术的发展， 高亮度输出LED模块也成功面世，如Lumileds研制的白色LuxeonLED模块、OSRAM的“OSTAR”白色LED模块，使得LED在汽车前照灯上的应用也成为可能，并引领了新一代前照灯技术的潮流。但由于高成本的限值，目前的LED前照灯主要应用在高级豪华车辆上。2004 年，Audi A8 6.0L豪华车第一次使用Lumileds的6个白色LuxeonLED作为日间行车灯。2007年，日本丰田汽车推出了Lexus顶级混合动力车“LS600h”和“LS600hL”，成为全球首次配备使用全白光Nichia LED前照灯的量产车。4.3 LED显示设备在教学中的应用进入21 世纪之后，除了在日常电力照明领域正在普及的LED 光源，LED显示技术从台式计算机的字段式显示开始的实用化LED面板，到后来的类似于主动型素子驱动方法的开发，使大型、