先进材料引论-LED

LED照明

——照明领域的又一次革命13照明的定义

照明是以人们的生活、活动为目的对光的利用，如：（1）用光照亮可视物体及周围环境；（2）使用光作用于人的情感和烘托气氛；（3）通过信号、标识、展板及电气标识等传达信息，突出显示光源自身；（4）主要使用可见光，也可使用紫外线、红外线光线和辐射4光是电磁波辐射到人的眼睛，经视觉神经转换为光线，即能被肉眼看见的那部分光谱。这类射线的波长范围在360到830nm之间，仅仅是电磁辐射光谱非常小的一部分。照明的三大要素物体亮度L（nt）照度E（lx）发光强度I（cd）光源亮度L（nt）光源

主观亮度光通量Φ（lm）关键词：辐射学、光度学、色度学；亮度、照度、颜色……6颜色和波长光的颜色是否可以看见是由它的波长决定，光的波长是以纳米（nm）为单位。可见光的波长范围在380nm-780nm，以下是光的颜色和它的波长：中红外线红光：4600nm–1600nm不可见光低红外线红光：1300nm–870nm不可见光850nm–810nm几乎不可见光近红外线光：780nm-740nm7颜色和波长光通量(lm):光源在单位时间内所发出的能量,其中可产生视觉者(人能感觉出来的辐射通量)即称为光通量。光通量的单位为流明(简写lm),1流明(lumen或lm)定义为一国际标准烛光的光源在单位立体弧角内所通过的光通量。

光照度(lm/m2)：

可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，是英文lux的音译，也可写为lx。被光均匀照射的物体，在单位面积上的光通量。8光效

(lm/w)：光源发出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源节能的重要指标。光束角

(°)：通常称角度，指于垂直光束中心线之一平面上，发光强度等于50%最大发光强度的二个方向之间的夹角。照明术语照明术语色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。色温在3000k以下有温暖的感觉，达到稳重的气氛；色温在3000k-5000k为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000k以上有冷的感觉。显色性：光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳能）照明时颜色的偏离能较全面反映光源的颜色特性。要正确表现物体本来的颜色需使用显色指数高的光源。910烛光1930K正白冷白白炽灯2760K荧光灯3000K午日光5600K蓝天12000K~18000K暖白显色与色温显色色温白光LED11照明发展史

121879爱迪生发明灯泡1901出现荧光灯1919出现金属钠灯1970第一个发红光的LED1995

高亮度的LED蓝、白1990高亮度的LED红、黄、绿2000白光LED的光通量(17lm/W)2005白光LED的光通量(70lm/W)2008白光LED的光通量(超过100lm/W)LED作为一种新型的照明光源是未来的发展趋势白炽灯历史将终结13白炽灯会把消耗能量中的90%转化为无用的热能，只少于10%的能量会成为光白炽灯是将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源优点：成本低，可调性高，显色性极佳（Ra=100）。缺点：光效低，寿命短，色温低、易碎全球白炽灯禁用时间表14中国发改委预计10年内禁用（禁售）白炽灯。为加快推进节能减排，逐步淘汰白炽灯，国家发改委目前与联合国开发计划署（UNDP)，全球环境基金（GEF）合作共同开展“中国逐步淘汰白炽灯，加快推广节能灯”项目，支持研究编制《中国逐步淘汰白炽灯，加快推广节能灯行动计划》。美国2012年1月到2014年1月。大多数白炽灯将于2014年在美国市场上禁止出售。日本日本政府宣布截至2012年，日本全面禁止使用白炽灯。欧盟各国2012年起禁用所有瓦数的传统灯泡……节能灯的特点15节能灯——稀土三基色紧凑型荧光灯主要是通过镇流器给灯管灯丝加热，大约在1160K温度时，灯丝就开始发射电子（固在灯丝上涂了一些电子粉）电子碰撞氩原子弹性碰撞，氩原子碰撞后，获得能量又撞击内部的汞原子，汞原子在吸收能量后，跃迁产生电离；发出253.7nm的紫外线，紫外线激发荧光粉发光节能灯发光效率是白炽灯的5倍，比普通白炽灯节电60%-80%，使用寿命多4-6倍优点：光效高、寿命长。缺点：不环保、有频闪、不可调、易碎节能灯的缺点16一只普通的节能灯含汞只有0.5mg，但是它的危害是惊人的：可以污染1000升水，通过土壤渗入地下，污染180吨地下水，挥发进入空气，会污染300立方米空气目前我国登记在册的节能灯生产企业有近2000家，年生产节能灯24亿只。中国国内每年报废的节能灯有十亿支，只能面临着被丢入垃圾箱的命运，造成污染我国对废旧节能灯的回收体系还处于空白，生产企业回收成本高达数千万，难以承受17高压钠灯是一种高强度气体放电灯泡。当灯泡启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，电子与钠原子、汞原子之间碰撞激发，多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光。优点：发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不锈蚀。缺点：不环保，显色性差，色温低、启动慢高压钠灯金卤灯金卤灯是交流电源工作的，在汞和稀有金属的卤化物混合蒸气中产生电弧放电发光的放电灯，广泛应用于体育场馆、展览中心、大型商场、工业厂房、街道广场、车站、码头等场所的室内照明。优点：光效较高(100lm/w)，寿命较长(10000h)，显色性好(Ra65～95)，结构紧凑，性能稳定缺点：不环保、启动慢什么是LEDLED发光二极管，是一种半导体固体发光器件。LED核心部件主要由III-V族化合物PN结组合成的半导体发光芯片，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。18LED——LightEmittingDiode什么是LEDLED属于一种半导体元器件。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。19LED效率的历史演变20未来的机会在哪里？21LED被称为第四代照明光源或绿色光源，是照明领域的又一次革命LED长寿命高发光效率可靠耐用性安全性高绿色照明光源节能光源LED同几种光源的比较22名称耗电量（W）工作电压

（v）协调控制发热量可靠性使用寿命

（h）金属卤素灯100220不易极高低3000霓虹灯500较高高高宜室内3000镁氖灯16W/m220较好较高较好6000日光灯4-100220不易较高低5000-8000冷阴极15W/m需逆变较好较低较好10000钨丝灯15-200220不宜高低3000节能灯3-150220不宜调光低低5000LED灯极低直流12-36V

多种形式极低极高10000023支架：用来导电和支撑，Cu，Ni，Ag。银胶：固定芯片和导，主要成分是银粉75-80%，环氧树脂10-15%，添加剂5-10%。晶片：LED器件的核心。大多以III-V，

II-VI化合物半导体为材料（GaP,GaAlAs,GaAs,GaN)，覆盖了红光到紫外区域金线：连接晶片与支架，并使其能够导通环氧树脂：成形，保护LED内部结构，聚光LED的结构

LED的主要组成部分，可分为：1、支架；2、银胶；3、晶片；4、金线；5、环氧。24LED的结构LED优点25LED器件工艺p-Al0.15Ga0.85NIn0.2Ga0.8Nn-In0.05Ga0.95Nn-Al0.15Ga0.85NxEnergyP-GaNMgp-Al0.15Ga0.85N:MgN-Al0.15Ga0.85N:SiN-In0.05Ga0.95N:SiIn0.2Ga0.8NN-In0.1Ga0.9N:SiN-GaN:SiGaNbufferlayer(0001)sapphiresubstraten-electrodep-electrode电极刻蚀前工序外延片AlGaInp、GaN基芯片AlGaInp、GaN基超高亮度及白光LED（含专用显示器）

衬底

金属有机物源

高纯气体

高纯化学试剂高纯金属

高纯化学试剂

光刻胶

后工序各种不同颜色、外型LED封装

环氧树脂

高纯金丝、硅铝丝

封装模具

银

浆

金属支架、底座荧光粉

塑料零件

超高亮度及白光LED产业链

特种照明白光照明

白光照明（大功率）

安全照明白光器件（小功率）灯具、灯座、金属、塑料结构件

封装原料

电源变换器

其他主要应用面屏幕显示背光源汽车用灯交通信号灯装饰照明景观照明专用显示器仪器仪表显示其他显示控制、驱动电路显示单元金属、塑料结构件

金属、塑料件导光板线路板灯具结构件塑料件背光显示板金属、塑料结构件

线路板金属、塑料件线路板电源变换器导光板、管超高亮度及白光LED产业链前工序外延片AlGaInp、GaN基芯片AlGaInp、GaN基超高亮度及白光LED（含专用显示器）

衬底

金属有机物源

高纯气体

高纯化学试剂

高纯金属

高纯化学试剂

光刻胶

后工序各种不同颜色、外型LED封装

环氧树脂

高纯金丝、硅铝丝

封装模具

银

浆

金属支架、底座荧光粉

塑料零件

超高亮度及白光LED（含专用显示器）

特种照明白光照明

白光照明（大功率）

安全照明白光器件（小功率）灯具、灯座、金属、塑料结构件

封装原料

电源变换器

其他主要应用面屏幕显示背光源汽车用灯交通信号灯装饰照明景观照明专用显示器仪器仪表显示其他显示控制、驱动电路显示单元金属、塑料结构件

金属、塑料件导光板线路板灯具结构件塑料件背光显示板金属、塑料结构件

线路板金属、塑料件线路板电源变换器导光板、管LED的分类LED按照发光颜色分类30红、橙、绿、蓝、黄光统称为色光,主要应用在指示或装饰方面白光是照明行业主要用到的光源白光LED白光又可细分为暖白中性白冷白31色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。色温在3000k以下有温暖的感觉，达到稳重的气氛；色温在3000k-5000k为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000k以上有冷的感觉。显色性：光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳能）照明时颜色的偏离能较全面反映光源的颜色特性。要正确表现物体本来的颜色需使用显色指数高的光源。目标：高显色性、低色温白光LED32白光LED的产生RGB三基色RedBlueGreen白光LED的产生白光LED的产生——单芯片33Howtoobtainwhitelight?

Photoluminescence+bluelightexcitedbyLEDfromLED蓝光LED+YAG:Ce黄色荧光粉=白光蓝光LED+红色荧光粉+绿色荧光粉=白光UVLED+红色荧光粉+绿色荧光粉+蓝色荧光粉=白光目前商品化白光LED产品的主要实现形式,技术方案最成熟，成本最低,但是显色指数低，欠红白光LED的产生——多芯片34白光LED的产生蓝LED

+绿LED

+红LED=白光这种通过RGB方法合成白光的主要问题是绿光的转换效率低，所以总体的效率不高。同时三种颜色的LED的正向电压和光输出不同，另外它们的温度特性和光维持特性也不同，因而对电路的要求比较高。白光LED的产生35白光产生方式优点缺点单芯片蓝光LED+YAG单一芯片产生白光，成本低，电子线路设计简单白色光不够均匀显色性不佳荧光粉材料不易寻找UVLED+荧光粉荧光粉材料容易寻找，可使用转换效率高于YAG荧光材料，发光效率有提高空间，显色性佳发光效率低，封装材料被紫外光照射易产生老化，限于荧光粉涂敷，使白光不够均匀多芯片红、绿、蓝三色光组合发光效率较高，可动态调整色温，显色性佳三基色发光效率不均，对电路的要求比较高，成本高LED的应用标识显示照明警示标记识别文字图像显示屏特种照明背光源汽车照明夜景照明普通照明LED的应用37景观照明是我国当前LED产业的第一大应用市场LED的应用38LED路灯2008年全球拥有1.83亿盏路灯，绝大部分是高低压钠灯与水银灯，LED灯只有90万盏左右，占比仅0.5%。随着全球各地政府的积极推进，预计2009年LED路灯占比达到1%左右，2010年占比将提升至2.2%，即450万盏左右。随着LED路灯的占比逐渐升高，未来LED路灯的市场规模也将迅速扩大LED的应用汽车车灯：用于发光指示的LED在汽车照明应用中被大量采用39随着欧盟淘汰白炽灯第一阶段禁令的正式生效，欧盟与其他国家也陆续宣布新车加装昼行灯，Lumileds与Osram已经推出大功率车用前照灯，并取得重要突破。车用LED市场近几年仍将保持两位数以上较快速增长，2011年市场规模达到12亿美元LED的应用背光源市场

LED背光液晶电视402007年以前，LED的主要应用领域是手机背光源，高端中大尺寸液晶显示屏背光源占比仅2%。2007年之后，大尺寸面板背光及一般照明应用开始带动LED产业进入另一波成长期。LED的应用通用照明41一般照明市场以白炽灯/卤素灯、节能灯最为常用。基于节能的考虑，白炽灯被节能灯、LED灯替代是大势所趋。但是目前LED灯成本比较高，技术还没有完全成熟，节能灯在短期内将发挥主要替代作用。但随着技术进步及生产效率提高，LED灯的价格不断下降，LED照明将迈入快速发展期并逐渐成为LED市场的主流。

LED照明光源的应用数字化色光技术及应用产品

舞台灯、水下变色灯、医疗用灯等；特种照明场所

低温度照明场所：冷库、冷柜、冰箱；应急照明；户内外广告照明；低照度照明：草坪灯、庭院灯、廊灯、门牌灯；普通照明便携式照明；阅读照明：飞机、汽车、台灯；室内照明：高度4m以下，同时对光效、色温、显色性都有要求；道路照明要求：低色温：3000K左右；总光通量：10.5m宽次干路15lx照度，要求光源总光通量25000lm以上（灯具效率70％）。LED应用展望43LED的普及主要受制于成本过高，随着LED价格每年下降20%~25%，其应用范围越来越广泛。高亮LED成为LED市场的主流，也是LED产业的盈利点。新兴应用市场如通用照明、汽车前灯、大屏幕LCD背光源等将成为高亮度LED市场增长的新动力，未来5年内高亮度LED市场将增长一倍以上。目前来看，背光源应用时机已经成熟，将成为未来几年LED应用市场的一个亮点，长远来看，未来的通用照明应用值得期待。LED产业现状LED产业链44LED产业现状从全球来看，半导体照明产业已形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。美国Cree、Lumileds，日本Nichia、ToyodaGosei，德国Osram等垄断高端产品市场。随着市场的快速发展，美国、日本、欧洲各主要厂商纷纷扩产，加快抢占市场份额。45LED产业现状全球主要LED企业专利授权关系图46材料学研究方向材料学研究方向材料学研究方向国内外LED材料学发展方向47材料学研究方向LED外延片的生长LED芯片制备LED芯片封装LED产品设计制作国内外LED材料学发展方向衬底材料48衬底材料是LED外延生长的基础，不同的衬底材料需要不同的外延生长技术，并且在一定程度上影响芯片加工和器件封装技术的选择。因此，衬底材料是各个技术环节的上游和关键所在。

LED衬底材料的选择通常有以下要求：

①结构特性好，外延材料与衬底的晶格结构相同或相近；②界面特性好，有利于外延材料的生长，并且粘附性强；③化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和被腐蚀；④热学性能好，包括热导性好和热失配度小；⑤光学性能好，对光的吸收少，有利于提高器件的放光效率；⑥有良好的导电性，能制成上下层结构；⑦机械性能好，器件容易加工⑧尺寸大通常要求直径不小于2in（1in=0.0245m);⑨价格低廉国内外LED材料学发展方向49衬底材料最高流明度生产成本稳定性导热性使用寿命产业化水平蓝宝石（Al2O3）中中一般差短高硅（Si）低低良好长低碳化硅（SiC）高高良好长高由于国际上各主要LED企业均注重保护衬底的技术保护，国内很难从其购买到高质量的商用衬底材料，因而实际上控制了整个产业的发展。因此开发Si尤其是SiC衬底单晶生长技术，获得自主知识产权是极其迫切的半导体材料学研究课题国内外LED材料学发展方向LED外延材料和技术50从LED工作原理可知，外延片是LED产业的核心部分。LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于外延片材料国内外LED材料学发展方向LED外延材料和技术51LED未来外延片技术发展趋势改进两步法生长工艺，开发可一次装入更对衬底外延片的生长，降低成本，获得高度自动化的可重复性的单片设备氢化物气相外延片（HVPE）技术，快速生长低位错密度的厚膜选择性外延片生长或侧向外延片生长技术，进一步减小位错密度，改善外延片晶体质量悬空外延片技术，减少由于衬底和外延片层之间晶格失配和热失配引发的大量晶格缺陷研发波长短的UVLED外延片，为发展UV三基色荧光粉白光LED奠定基础开发多量子阱型芯片技术，在芯片发光层的生长过程中，掺杂不同的杂质，直接获得白光国内外LED材料学发展方向LED封装散