1、課 程 論 文LED技術發展和應用狀況調查姓名： 陸宇威 學號： 201230800315 班級： 12級 3 班 專業： 光信息科學與技術 華南農業大學理學院應用物理系LED技術發展和應用狀況調查摘要：LED( light emitt ing diode) 是發光二極管的英文縮寫，它是一種電致發光器件。目前，LED產業已經走過了它的發展初期和中期，普通LED的應用已經成為過去，高亮度LED的使用也已無需著力推廣。另外，中小功率超高亮LED亦已誕生，并正在以極快的速度走向應用。這些情況都表明，LED產業的發展已經進入到了成熟期。雖然以LED 為核心的科研、生產、應用已經具備了相當的規模，但LE

2、D 的低功耗、長壽命、高可靠、抗沖擊、快響應等諸多優點仍會進一步推動LED產業的發展。本文就LED技術發展歷史、現狀及展望和LED的應用作簡要概括。 關鍵詞：LED 技術發展 應用狀況 LED光電轉換效率包括內量子效率和外量子效率兩部分。內量子效率主要取決于外延材料的質量及外延層的結構。外量子效率則取決于芯片及封裝技術。外量子效率=內量子效率×出光效率，目前，LED 的內量子效率已接近極限100 %，所以提高出光效率對提高外量子效率非常重要。自19世紀60年代LED問世以來，隨著材料及半導體工藝的發展，LED 已開始應用于指示燈、數字和文字顯示，但性能參數（如功率、光強、色溫、發光效

3、率等）的制約，局限了LED向照明領域的應用。LED前期的技術研究重點在發光效率的提升上，中期注重光束質量，后期則把主要關注點轉向了封裝散熱。1 半導體LED的工作原理LED（light emitting diode），發光二極管，是一種固態的半導體器件，它是由- 族化合物，如GaAs，GaP，GaAsP等半導體制成，其核心是PN 結，因此它具有一般PN 結的I-V 特性。特別是，它可以直接把電轉化為光，具有發光特性。LED是典型的工作在正向偏置條件下的PN 結器件。由直接帶隙半導體組成的P-p-N 雙異質結在正向偏置電壓下，高濃度電子和空穴從N 型和P型Al-Ga-As層注入到p型GaAs有源

4、區。當有源區厚度小于載流子擴散長度時（有源區厚度為0.5 2.0m），由于電中性條件要求，注入到導帶的電子和注入價帶的空穴是相等的，且均勻分布在有源區中。在電注入激勵條件下，有源區內的電子和空穴產生輻射復合（發射光子）和非輻射復合（不發射光子）。2 LED的技術發展過程2.1 材料的發展波長的擴展理論和實踐證明，光的峰值波長與發光區域的半導體材料禁帶寬度Eg有關，即1240 /Eg（mm）。式中: Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產生可見光（ 在380780 nm），半導體材料的Eg 應在3.61.63eV 之間。光的波長是由形成PN 結的材料決定的，而波長決定光的顏色（紅640750 nm

5、,橙600640 nm，黃550600 nm，綠480550 nm,藍450480 nm，紫400450 nm）。1962年，美國用GaAsP材料成功開發出全球第一顆LED（紅色）。在其后40多年中，LED 經歷了GaP（550 nm綠色）、GaAsP（650 nm紅色、橙色和黃色）、GaAlAs（680 nm紅光）和InGaAlP（590 620nm黃橙黃）等多種材料的形式，但發光顏色長期局限于紅色和黃綠色。1993年，日亞公司的研究人員Nakamora首次成功地研制出氮化物LED，實現了藍色半導體發光，進而于1996年實現了白光LED。就光色而言，到2003年時，LED 光源幾乎完全涵蓋了

6、位于CIE（國際照明委員會）色度曲線內部的飽和顏色，LED 與熒光組合可以產生任何一種顏色。2.2 白光LED的實現GaN基藍光LED、熒光粉一般白光LED的生產技術包括采用RGB三色晶粒、藍光LED+ 黃色熒光粉、藍光LED+綠、紅兩色熒光粉、UV LED+ RGB 三色熒光粉，以及采用ZnSe材料以發出白光等五大技術。其中，藍光LED 加上黃色熒光粉產生白光是目前所有技術中最易實現的,具有成本低、壽命長、亮度及可靠度高等優勢。氮化鎵基（GaN）材料是目前世界最先進的半導體材料，具有內、外量子效率高等特性，可制成高效藍、綠光發光二極管LED，并可延伸到白光LED，將替代人類沿用至今的照明系統

7、。各種增加白光LED 發光光譜連續性的方案被提出來提高其顯色指數；選用小粒徑的熒光粉可以顯著提高產品的光色均勻性（在色8 000 K時，可提高50% 以上）；采取熒光粉保形涂覆技術（conforma lly coating），可將出光均勻性提高10倍；使用納米量子阱作為有源層的有機/無機LED，能獲得一個具有高純度飽和度且色彩可調的窄帶寬。2.3 結構的發展發光效率的提升1991年以來，材料技術與芯片規格和形狀的組合，使提供的流明通量大幅提高。基于匹配襯底所做的低缺陷密度的LED可獲得最佳的發光性能，如SiC上所做的器件具有更小的位錯密度，基于該襯底的各色光LED的性能優于在藍寶石襯底上依靠側

8、向生長來減小位錯密度的LED性能；增大芯片面積也能提高發光效率；結構化芯片形狀的設計由最初普遍采用的低出光率的臺面結構（長方形）發展為倒金字塔形（化學刻蝕）以及六棱錐形，采用這些新穎的結構可以從芯片中提取更多的光。隨著發光材料的開發和半導體制作工藝的改進，在芯片生長過程中引入了MOCVD外延生長技術、分布式布拉格反射（DBR）的結構、光學微腔（RC）以及量子阱結構（QW）、功率型LED的多量子阱結構（MQW）等，使得半導體照明用的發光二極管發光效率不斷提高，2010 年已突破100 lm/W。同時將芯片采用倒裝焊結構及紋理表面取光結構（即表面粗化）也能提高LED 的外量子效率和取光率。2.4

9、工藝的發展單色功率的提升早期紅色LED（GaAsP）的性能只有0.1 lm/W的輸出通量，摻氮使其效率提升了約10倍。到1971年，綠色芯片實現了類似的效率。上世紀80年代早期，AlGaAs LED的生產技術得到突破，可以以高達10 lm/W 的效率產生紅光。1990 年，In-GaA IP（590620 nm黃橙黃）技術提供了與最佳紅色器件同等的性能，較當時的標準GaAsP器件（紅色、橙色和黃色）要好10倍。2003年時，透明基底lnGaAIP的LED器件提供幾流明到幾十流明的輸出功率。更新的工藝使得每個器件中封裝了更多的LED或多個器件安裝在一個裝配件中，使得其流明輸出能夠與微型白熾燈相當

10、。1990年前后SiC基底的藍色LED問世，其效率僅0.04 lm/W，隨后GaN基LED在技術上取得突破。隨著高亮度藍光LED的技術進步，2006年時，用藍光激發熒光粉發出白光的LED發光效率大都已超30 lm/W，某些產品已超過50 lm/W的水平。2.5 封裝技術粘結材料和基板LED散熱的關鍵環節：隨著LED器件輸入功率的提升，粘結材料的導熱性能需要由弱變強。粘結材料從普通導熱膠到導電型銀漿、錫漿；常用的散熱基板材料包括硅、金屬（如鋁、銅）、陶瓷（如Al2O3、AIN、SiC）和復合材料等，綜合評估基板的加工難易度、成本、比重、熱膨脹系數、熱導率、強度與硬度等指標，金屬基復合材料（如Al

11、SiC）脫穎而出，廣泛應用于大功率LED 封裝中。提高出光率的2個關鍵：1）降低遮蔽、增加光透率；2）強化光折射、反射率。 2.6 芯片制備技術大功率LED 芯片制備技術主要目的是提高出光效率，進而提高外量子效率。近年來一些新的技術手段已被用來提高外量子光效益，下面簡單介紹幾種。(1)表面粗化技術：通過化學腐蝕等方法使外延表面形成某種光學微結構，來減少全內反射的光，從而提高出光效率，出光效率可提高65%，同時解決了漏電參數不穩定，重復性差的問題，實現了批量生產。(2)倒裝芯片技術：將藍寶石一面作為出光面，較好地解決了電極擋光和藍寶石不良散熱問題，提高了散熱效率，出光效率約增加1.6倍。早期倒裝

12、在Si襯底上，2007年開始已倒裝在陶瓷襯底上，進一步提高了出光效率。(3)氧化銦錫(ITO)透明電極：傳統的NiAu合金電極對可見光的透過率僅為60% 70%，而ITO 的透過率可達90%以上，因此利用ITO透明電極的高可見光透過率和低電阻是提LED 出光效率的有效途徑之一。(4)分布布拉格反射層(DBR)結構：布拉格反射層是兩種折射率不同的材料周期交替生長的層狀結構，它在有源層和襯底之間，能夠將射向襯底的光利用布拉格反射原理反射回上表面，極大地減小了光從襯底出射，從而增加光的外量子效率。此結構可以直接利用MOCVD設備進行生長，有很好的成本優勢，目前已經應用于商業生產。(5)光子晶體：通過

13、晶格構造的設計來人為控制光的傳播，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。在光子晶體的加工工藝上，激光全息光刻和納米壓印技術適用于大面積制作，且生產效率高、成本低、工藝過程簡單。電子束光刻和干法刻蝕相對較成熟，但有刻蝕速率、制作效率等方面的局限，適于實驗室研究。(6)圖形化襯底PSS技術：通過在藍寶石襯底表面制作細微結構圖形，能有效降低體內的位錯密度，從而提高器件的內量子效率；而且圖形化襯底能使原本在臨界角范圍外的光線通過圖形的反射重新進入到臨界角內出射，從而提高了出光效率。PSS襯底技術工藝簡單、成本低廉、顯著改善器件性能，成為現階段大功率LED器件的首選襯底技術。(

14、7)薄膜技術：薄膜技術可以將金屬層集成在LED內。這種“鏡子”能將芯片內產生的光反射到LED頂部，并使光線從頂部射出，避免了光線或能量的損失，因而可大大提高LED的出光效率。此外還有襯底激光剝離技術（LLO）、三維垂直結構芯片、交流芯片等新結構和新技術，它們都給芯片帶來了技術創新。國際上主流的照明級LED 芯片及器件制造商有著各自獨特的外延和芯片技術路線。3 LED的技術展望MOCVD外延生長技術的引入使LED的內量子已超過80%，提高的空間不大，但因為外量子效率低也是導致總的出光效率非常低的原因，所以目前解決出光效率低的技術首選垂直結構和光子晶體。現有藍寶石襯底近幾年內仍將是結構發展的主要技

15、術路線，襯底材料中藍寶石和與之配套的垂直結構襯底的激光剝離技術仍將在較長時間內占統治地位。未來非極性面外延技術有望解決目前三基色LED集成的最大障礙是綠光LED高功效的問題。用GaN襯底外延生長手段來抑制光衰的技術在57年內有望得到突破。重大裝備和原材料的國產化是降低成本的重要且有效的途徑之一。國內封裝與國外相比沒有明顯的差距，但國內當前的專利類型仍以實用型為主，技術創新性有待進一步的提高。3.1 發展趨勢（1）發光效率不斷提高從LED技術發展來看，歐美及日系廠商仍是重要競爭者。就技術水平而論，目前以美國Cree公司最為領先。2010 年Cree公司的白光LED的實驗室光效已提高到208 lm

16、/W，這是目前的最高水平。首爾半導體的主打產品Acriche是世界上唯一可以在交流電源下無需直流交流轉換器就能驅動的半導體光源，比直流LED 更加節能和更具成本效益。（2）成本不斷下降成本高是LED推廣應用的障礙。產生1000 lm的光通量，白熾燈的成本小于1美元，熒光燈的成本小于2美元。而LED光源產生1 000 lm的光能量，使用十顆大功率LED的成本超過了20美元。LED的成本問題是與LED技術層面瓶頸的解決緊密相連的。預計到2015年白光LED的成本將可與熒光燈相當，其技術關鍵是配備了大量的小型LED封裝。綜上所述技術發展的趨勢為：（1）高功效技術的研發水平加快；（2）成本急劇下降。技

17、術創新步伐明顯加快，推動LED照明實用化進程。4 LED應用狀態4.1 風光互補LED路燈太陽能和風能有很好的互補性，因此風光互補發電系統在資源上彌補了風電和光電獨立系統在資源上的缺陷。路燈是城市最常見的基礎設施，同時也是城市的耗電大戶。為數量眾多的路燈鋪設低壓輸電線路不僅耗費人力物力，線路上的損耗也不容小視，所以為城市安裝風光互補路燈是一項可行的節能減排措施。目前大功率LED路燈基本上是采用5000K6000K色溫的白光，作為道路照明光源，在視覺感覺上過分陰冷甚至陰森，同時遠視時眼睛的觀察能力會下降，在這方面的一些研究中證明，低于3000K的黃光或暖白光是比較適合道路照明的。高壓鈉燈的相關色

18、溫(Tcp)為2100K左右，屬暖色溫，其顯色指數(Ra)只有2325，顯色性低；而LED路燈現在使用的色溫多大于5300K，屬冷色溫，較好的產品，其Ra可達7080，顯色性好。作為機動車行駛的快速道、主干道，偏黃色光的鈉燈，對看清前方90160m左右距離路面狀況，效果比白色光略優，特別是對有霧、多塵的空氣條件下，鈉燈較有優勢，相對的LED路燈射程短,在較高高度下工作,燈光就顯的很暗。對于人行道、商業步行街、居住小區等道路，LED的顯色性優于鈉燈，分辨人的狀況更清晰，較有優勢。對光源的維護，高壓鈉燈直接更換光源電器，成本較高。而對于LED路燈，現在很多大功率LED燈珠內部集成了齊納二極管，單顆

19、LED燈珠損壞不會影響整體燈具的亮度，不必要更換，但是要整個光源更換，現場的維護就無法進行，一旦出現整體故障時，只能整個燈具進行替換維修，這對使用單位來說是不方便的，還有待今后解決。據2013-2017年中國風光互補路燈行業發展前景與投資預測分析報告數據顯示，中國現有城鄉路燈總數，大約在2億盞，并以每年20%的速度增長，假如這2億盞400瓦或250瓦高壓鈉燈全部改成150瓦或100瓦風光互補LED路燈，并且每盞路燈每天工作12小時，在1年內將節約1500億度電。而三峽水電站在2010年的發電總量為840億度電。因此把全國2億盞路燈全部改為風光互補路燈后，所節省的電量相當于1.8個三峽水電站20

20、10年的全年發電量。4.2 LED在汽車燈具中的應用LED在儀表、電信等信號指示上的初步應用，形成了LED 早期的應用市場，但由于其光強度、光衰減等性能指標問題還無法在汽車燈具中獲得廣泛應用。80年代后期伴隨高亮度發光二級管技術的出現，LED在車外照明信號的應用成為可能。典型標志性事件為: 1988 年Nissan在280Z汽車上首次使用STANLEY生產的72只AlGaAs紅色高亮度LED作為汽車高位制動燈。從此，LED 正式進入汽車照明市場。90年代，LED的材料開發不斷演進，Toshiba和Hewlett-Packard在1991年共同開發出以磷化鋁鎵銦(InGaAlP)制成的四元素高亮

21、度LED。在技術上和批量生產上，為汽車燈具光源的LED 化鋪平了道路。進入二十一世紀，LED 技術突飛猛進，并逐漸取代白熾燈、真空熒光等傳統光源被廣泛組合應用到汽車儀表背光照明、操作開關、頂燈、閱讀燈、門鎖燈等車內照明上。另外，LED 可靠性強、使用壽命長、色純度高、響應速度快、體積小便于設計等優點得以突顯，在汽車外部照明方面也得到越來越普遍的應用。特別是最近幾年，LED車燈被廣泛應用于轉向信號燈、制動燈、位置燈、倒車燈、霧燈、牌照燈等燈具上，已經成為汽車潮流的新寵。目前，80%以上的歐系和日系汽車安裝了LED高位制動燈。市場上幾大汽車領導廠商也不斷推出以LED為光源的新型汽車， 像日系的To

22、yota、Mitsubishi、Honda、Nissan 等廠商推出的Teana、Crown、Reiz，美系通用汽車旗下的Cadillac、Buick，以及德系車廠的Mercedes-Benz、BMW、AUDI 等都已采用LED 尾燈，并逐漸形成了LED 汽車燈具的產業化。伴隨LED 模塊技術的發展， 高亮度輸出LED模塊也成功面世，如Lumileds研制的白色LuxeonLED模塊、OSRAM的“OSTAR”白色LED模塊，使得LED在汽車前照燈上的應用也成為可能，并引領了新一代前照燈技術的潮流。但由于高成本的限值，目前的LED前照燈主要應用在高級豪華車輛上。2004 年，Audi A8 6.0L豪華車第一次使用Lumileds的6個白色LuxeonLED作為日間行車燈。2007年，日本豐田汽車推出了Lexus頂級混合動力車“LS600h”和“LS600hL”，成為全球首次配備使用全白光Nichia LED前照燈的量產車。4.3 LED顯示設備在教學中的應用進入21 世紀之后，除了在日常電力照明領域正在普及的LED 光源，LED顯示技術從臺式計算機的字段式顯示開始的實用化LED面板，到后來的類似于主動型素子驅動方法的開發，使大型、