级-大三上光子学前沿讲座

蓝光LED过去、现在和未来王钢教授光子学前沿讲座1907年，SiCLED的诞生LED起源于1907年，H.J.Round发现SiC的微晶结构具有发光能力，这是第一颗发光的LED（当时是肖特基二极管，而不是目前的PN结二极管）。1962年，GaAs和AlGaAs红外和红光LED诞生红光LED发明人---NickHolonyakJr.1962年，Holonyak和Bevacqua在应用物理期刊发表了使用GaAsP为发光材料的红光LED，这是第一颗可见光LED，使用气相磊晶法(VPE)在GaAs基板上长出GaAsP二极管PN结面，其优点是方法简单、低成本，缺点是由于GaAsP薄膜与GaAs晶格不匹配导致发光效率低下(约为0.1lm/w).1972年，M.GeorgeCraford使用N掺杂，成功做出第一颗黄光波段的GaAsP/GaP材料系LED，不仅提高了光效，而且将发光波长进行了延伸。1972年，黄光LED诞生M.GeorgeCraford半个世纪，红光黄光LED都出现了，唯独缺少蓝光LED1972年，发现GaN可以发出微弱蓝光，但到实际应用仍有较大距离，光色体系中唯独缺蓝光波长与颜色波长与发光颜色取决于材料的带隙宽度如何实现蓝光？关键在制备手段？上世纪80年代，潜在蓝光LED制备材料为氧化锌（ZnO）和硒化锌（ZnSe），很少有人关心氮化镓（GaN），蓝光LED进展缓慢。日本中村修二发明了高亮度蓝色发光二极管，解决了实用化问题蓝光LED构造变迁

氮化物LED发光管的器件结构及发光机理electrons电子空穴复合发光P欧姆接触N欧姆接触蓝宝石或碳化硅2014年诺贝尔奖授予了蓝光LED2014年诺贝尔物理学奖授予了蓝光LED发明人赤崎勇、天野浩-蓝光LED的生长基础问题中村修二-通过改造设备，攻克p型掺杂，解决了蓝光LED实用化问题。ShujiNakamura（中村修二）1994年在日亚化学(Nicchia)发明了GaN蓝光LED白光LED点燃了真正“绿色照明”的光辉，被认为是21世纪最有价值的新光源；白光LED将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导；白光LED使照明技术面临一场新的革命，从而一定程度上改善人类的生产和生活方式。Google之中村修二的故事蓝光LED，使照明成为可能固态:光辐射来源于固体----半导体材料

SSL（SolidStateLighting）:从第一个发光二极管(light-emittingdiodes)的发明开始（1907年SiC肖特基二极管）第四代照明技术：固态照明白光LED（WhiteLEDs）白光LED工作机制-白光的形成

第一种方法:1993,当第一个高亮度蓝光LED发明后，根据颜色叠加原理，把红、绿、蓝三色LED经过合理的叠加，可获得白光LED，也就是RGB白光LED的原理。但这种方法目前并不是主流的白光技术。第二种方法:1996年，日亚公司将YAG(Ce3+:YAG)黄色荧光粉覆盖在蓝光芯片之上，荧光粉被蓝光激发，发出黄光，蓝光与黄光的合适叠加产生白光。第三种方法：使用紫外LED激光覆盖在其上的RGB荧光粉，产生白光，与传统荧光灯的机理相同。但局限于紫外LED的波长与功率。LuminescencePhosphorescence白光LED3种不同色温的白光:

4000-4500K,白炽光或暖白

5000-6500K,纯白

7000-8000K,冷白GaNorInGaNLEDCe:YAG各种照明光源演化流明效率3种传统技术:火白炽灯荧光灯&高压气体放电

油灯LED的应用领域而景观照明LED显示屏汽车组合灯小屏幕LCD背光大屏幕LCD背光交通信号灯户外道路照明室内照明LED器件制作过程衬底材料生长或购买衬底LED结构MOCVD生长芯片加工芯片切割器件封装Sapphire蓝宝石2-inch17外延工艺简介蓝宝石衬底棒蓝宝石衬底外延片MOCVD设备MOCVD是金属有机化合物化学气相沉淀芯片工艺简介光刻电路合金炉芯片测试芯片图案台湾晶元芯片美国CREE芯片台湾光磊芯片德国欧司朗芯片韩国Optoway芯片香港晶科芯片封装工艺简介LED封装工艺自动固晶机自动焊线机LED应用技术简介25~35%光能量65~75%热能量散热LED特点-发展速度快汽车前照明大灯价格性能通用替换光源的方向，必须采用新工艺、新材料等手段降低成本，扩大市场使用率球泡由于LED的光学透镜可以有效控制每一根光线，达到传统光源不可能实现的配光效果LED发展也遵循摩尔定律，LED的光通量以每10年20倍的速度上升，同时每流明单价以每10年10倍的速度迅速下降。在过去的40年间，基本按此发展。近年来白光的快速发展甚至超出了摩尔定律速度。即光效每年增长40%，价格每年降低20%。LED特点-光效高白炽灯光效9Lm/W节能灯光效60Lm/W日光灯光效90Lm/W卤素灯光效20Lm/W钠灯光效120Lm/WLED光效130Lm/W目前LED的光效已经超越传统电光源钠灯的光效，LED的节能效果非常明显。LED特点-单方向性传统光源360度发光，配光需反射罩反射经反射罩反射被损耗形成截光光源时，大部分LED发射的光线不需要经过反射壁反射直接出射；高压钠灯灯具效率一般在70%左右,而LED道路照明灯具效率可达到80%以上截光/半截光型型灯具比较LED特点-长寿命白炽灯寿命效1000小时节能灯寿命6000小时日光灯寿命8000小时卤素灯寿命2000小时钠灯寿命25000小时LED寿命10万小时目前LED的寿命已经达到10万小时，超越了所有传统电光源的寿命，使用一只好的LED灯，可以点亮一生！长寿命，减少了灯具的维护LED特点-环保无铅UV不含紫外线和红外线，不会对被照物损坏不含重金属含汞金属含汞金属含汞金属所有的传统电光源发光中均含有紫外线LED照明灯具环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。LED：低环境污染的光源LED不含汞、铅等任何有毒性污染物质LED光线为单色光，没有紫外红外成分，无紫外线、红外线的污染和损伤光源种类单位照度的相对损伤系数（%）晴天的天空光100多云的天空光31.7日光色的荧光灯6.3白色荧光灯4.6暖白色荧光灯4.5滤紫外线的荧光灯3.0白炽灯5.1LED0用LED照明的展品固态照明优势减少热产生减少能耗长寿命

光污染?

照明消耗了全世界19%的能源，25%的全球电量。使用LED所减少的能量可以有效的减少CO2的排放，以致于对全球气温的变化带来有益的影响。

LED的使用：减少CO2排放量21世纪的巨大挑战能源消耗石油核能，风能和太阳能2.气候变化全球变温两极冰融化新的冰河时代的可能两者是相连的意识到问题的严重性大力度减少碳氢化合物的使用和对森林的破坏京都协议（kyotoprotocol）LED：高色彩表现力Cree的LED涵盖了六种不同波长范围的颜色由六种颜色的LED组合出的色彩表现范围比色域最高的传统光源——光色域紧致荧光灯（Hi-colorCCFL）高出了14个百分点，甚至比NTSC（美国电视标准委员会）的标准色域还宽！其他特性对比汇总LED低压低电流工作，与光伏电池工作方式匹配固体器件，耐振动冲击超强光源响应速度超快（微秒级），光输出随电流线性变化，光输出可以从0到100％任意连续调节传统光源市电工作，须防触电气体放电灯和热辐射发光灯具均只能轻微碰撞光源响应速度慢，不是需要热启动就是需要逐次放电启动。光输出随电流非线性变化，且光通量调节范围有限道路照明LED产业的发展趋势

LED走向千家万户的普通照明从路灯开始

公共照明商业楼宇工业厂房照明城乡住宅户内照明技术趋势——封装器件的小型化节约材料便于集成和自动化生产节省空间，为结构散热和造型设计留下空间原有光学系统现有光学系统未来光学系统：一次封装设计小型化是光学系统未来发展的必然趋势！LED封装产品发展路线图最新发展趋势：CSP封装结构CSP技术基于倒装结构的LED芯片技术倒装芯片未来技术发展趋势LED目前三种主要应用领域LED色彩丰富色饱和度高更高的光能利用率色彩变换反应快更高光源光效光源小，超薄机身背光源（替换:冷阴极荧光灯）道路照明（替换

；高压钠灯）高光效高光能利用率长寿命绿色照明室内照明（替换：白炽灯，荧光灯）高光效高光能利用率长寿命绿色安全LED背光源模组应用LEDVSCCFL低功耗；环保；更宽色域范围响应时间快；低压驱动；可实现区域控制光源器件小，可实现超薄高功耗；含汞；相对窄的色域范围响应时间慢：导致出现拖尾现象；需要加升压电路；难以实现区域控制LED背光源在10寸以上液晶显示的占有率

Source:Q2’10QuarterlyLEDBacklightReportfromDisplaysearchLED背光源未来几年必将全面取代CCFL背光源！LED背光源技术发展阶段“体耦合”形式6’~10’背光显示边发射LED+空腔+导光板37’以下背光源直下式LED背光源：三色LED+导光管+导光板21’以下背光源侧入式LED背光源：40’以上大尺寸平板电视背光源目前主要的背光源形式按光源颜色分白光RGB按光源位置分侧入式更薄，结构简单少用直下式较厚，支持动态背光较厚，支持动态背光，高色彩表现力，高对比度主要的大尺寸背光源形式——侧入式反射膜LED网点导光板扩散膜1增亮膜（横向）扩散膜212增亮膜（纵向）导光板与网点：使光线充分混合，并改变原来的传播方向扩散膜1：雾度高，使向上出射的光扩散；增亮膜：使光线向前方会聚，提高屏前方亮度；扩散膜2：主要起保护增亮膜作用。关键点：导光板的网点设计主要的大尺寸背光源形式——直下式反射板扩散板增亮膜（横向）增亮膜（纵向）扩散膜反射板：把向后传播的光反射向前；扩散板：使光源发出的光扩散，支撑上面膜片增亮膜（横向）：使横向的光向前方汇聚；扩散膜：主要起保护增亮膜作用；关键点：扩散板与光源的距离各大公司主要采用的技术路线白光RGB侧入式三星、sony少用直下式夏普、海信、东芝价格高而少采用不采用直下式RGB方案原因：价格高RGB三种LED衰减不一致造成光色一致性偏差大屏幕背光源的发展趋势侧入式：多侧入光双侧入光单侧入光超薄设计Vs.区域控制目前LED电视商用导光板厚度已减至3mm超薄设计无法实现区域控制Whatisnext?侧入式+直下式=侧入直下式！价格实惠超薄外观高色域节能环保实现动态区域控制未来背光形态趋势——模块化拼装只有将背光板切分小型模块，才能同时实现超薄设计和动态区域控制的“侧入背光”功能需克服挑战：各模块连接的黑缝的消除LED道路照明：从小功率LED到大功率LEDLED道路照明：从无配光到蝙蝠翼配光LED道路照明：从照度均匀到亮度均匀最大光强角度从60度左右增加到67度以上，从而达到了道路的亮度均匀性和纵向均匀性要求LED道路照明：从一体式灯具到模块化灯具模块化灯具核心优势：制造成本优势维护优势易标准化可靠性优势一体式灯具模块化灯具室内照明的应用领域商业办公照明商场照明写字楼照明工矿企业照明车间照明仓储照明普通照明家居照明家居照明用于室内照明的主要灯具形态球泡灯射灯代替25W、40W、60W白炽灯泡代替MR16等卤素灯，代替节能灯、金卤灯筒灯面光源代替原节能灯的吸顶灯日光灯管代替T8及T5荧光灯一般传统光源的灯具光输出比（灯具出射光通量与光源光通量的比值）为70％，而LED灯具可达到90％LED光效优势——高光能利用率传统光源发光形式LED发光形式LED形成截光/半截光光源时，大部分光线不需要经过反射壁反射直接出射灯具效率VS眩光、均匀度要求眩光产生的原因：LED高亮度眩光解决方法：利用混光机制，将LED点光源扩展为面光源出射LED：点光源，需设法将光充分扩散出射LED：亮度集中，眩光大将点光源转化为面光源出射将光源充分扩展，降低光出射度代价：降低LED灯具的灯具效率提高亮度均匀度眩光控制无混光设计防眩光设计亮度均匀设计58紫外LED的分类LED前沿应用：320-390nm(UVA),375-415nm(UVA2),280-320nm(UVB)250-260nm(UVC),395-445nm(UVV)120100806040200200 300 400 500 600波长(nm)相对强度(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nm高强度汞灯的发射光谱汞灯与LED光谱比较紫外LED的应用LuminusDevices(390nm)SETI(240–400nm)Enfis(395nmmodule)Nichia(365nm)LedEngin(365nm)主要应用：UV喷墨打印行业62主要应用：UV曝光机行业主要应用：UV印刷行业主要应用：数字曝光行业数字曝光系统解决方案工业-3D打印工业-PCB/FPD平版印刷工业-商业印刷(CTP)DLP是一项可编程的光控技术，用于感光材料的曝光。PCB平版印刷、工业印刷和3D打印（累积制造）等许多不同的应用领域都采用了感光材料和曝光系。可见光成像通信是新崛起的研究领域2006年加拿大麦克马斯特大学的SteveHranilovic等人提出的可见光成像技术2011年美国科学家AshwinAshok等人提出视觉MIMO的概念,进一步将可见光发射扩展为发光二极管（LED）阵列，液晶或等离子显示屏的像素阵列，甚至包括投影仪的数字微镜反射装置国际多个研究组织对视觉成像阵列分集、复用、传输、通信定位等基础原理和技术开展研究。可见光成像通信作为一个新的研究领域正在兴起。65高速可见光通信系统架构66可见光传输LEDPINTxModuleRxModuleLED发射光源可见光接收ADADDemodulatorDecoderDataBasebandQIPhase编码调制预均衡解码解调后均衡

LED可见光通信系统由发射和接收2部分构成

发射部分包括电学和光学部分：电学：LED驱动电路，电信号处理(编码，调制，预均衡),光学：LED芯片，发射光学天线

接收部分包括电学和光学部分：光学：接收光学天线，探测器芯片电学：接收信号处理(解码，解调，后均衡)可见光通信的优势67白光对人眼安全；无电磁污染，可以应用在电磁敏感环境(飞机、医院、工业控制)；可见光通信兼具照明、通信和控制定位等功能，符合国家节能减排战略；频谱无需授权即可使用；可见光通信适合信息安全领域应用。载频带宽速率LED可见光400-800THz90M/3G3.75G(10G)b/sWIFI2.4GHz,5GHz

20M/40M54Mb/s60G60GHz7G3Gb/sUWB3.1-10.6GHz500MHz480Mb/s5G28GHz1Gb/sCompoundSemico