《LED照明產(chǎn)品質(zhì)量控制》

項(xiàng)目名稱：LED照明產(chǎn)品概況

專業(yè)名稱：光電技術(shù)應(yīng)用

目錄31245照明發(fā)展歷程LED發(fā)光原理LED發(fā)展歷程LED產(chǎn)業(yè)鏈LED照明產(chǎn)品分類67知識產(chǎn)權(quán)現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略一、照明發(fā)展歷程原始文明社會--太陽光、月光，鉆木取火、篝火中世紀(jì)文明-------各種油燈、蠟燭一、照明發(fā)展歷程17世紀(jì)末至20世紀(jì)五十年代----電氣照明、白熾燈、熒光燈一、照明發(fā)展歷程愛迪生首次將白熾燈示眾1957年1月1日，紐約GE總部，左起：發(fā)明燈泡用軟鎢的WilliamCoolidge、時(shí)任GE電器總裁的RALPHJ.CORDINER、GE電器研發(fā)主管GUYSUITS。三人在一起試驗(yàn)一個(gè)白熾燈泡，計(jì)劃讓燈泡亮一百年。20世紀(jì)六十年代初至今---節(jié)能LED照明技術(shù)一、照明發(fā)展歷程照明發(fā)展史2025/2/188半導(dǎo)體照明半導(dǎo)體照明產(chǎn)品就是利用LED作為光源制造出來的照明器具。LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。

可見光光譜的波長范圍為380nm～760nm，是人眼可感受到的七色光——紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，但這七種顏色的光都各自是一種單色光。在可見光的光譜中是沒有白色光的，因?yàn)榘坠獠皇菃紊猓怯啥喾N單色光合成的復(fù)合光，正如太陽光是由七種單色光合成的白色光，而彩色電視機(jī)中的白色光也是由三基色紅、綠、藍(lán)合成。白光LED第一種是利用“藍(lán)光技術(shù)”與熒光粉配合形成白光：藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光；第二種是近紫外光LED芯片激發(fā)RGB三波長熒光粉來產(chǎn)生白光。第三種是多種單色光混合方法。使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的互補(bǔ)的2色發(fā)光二極管或把3原色發(fā)光二極管做混合光而形成白光。實(shí)現(xiàn)白光LED的方法目前白光LED的三種主流實(shí)現(xiàn)方法1.藍(lán)光LED芯片+YAG黃光熒光粉描述：使用GaN基藍(lán)光芯片激發(fā)YAG熒光粉發(fā)出黃光，與剩余的藍(lán)光很合形成白光。優(yōu)點(diǎn)：YAG熒光粉已經(jīng)在熒光燈領(lǐng)域應(yīng)用了許多年，工藝比較成熟，白光LED的結(jié)構(gòu)相對簡單，技術(shù)趨于成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，是目前制造白光Led的主流技術(shù)。。缺點(diǎn)：（1）藍(lán)光LED發(fā)光效率還不夠高。（2）短波長的藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生黃光，存在能量損耗。（3）熒光粉與封裝材料隨著時(shí)間老化，導(dǎo)致色溫漂移。（4）不容易實(shí)現(xiàn)低色溫，顯色指數(shù)一般也不高。（5）功率型白光LED還存在空間色度均勻性等問題。2.近紫外線LED芯片+RGB熒光粉描述：像三基色節(jié)能燈那樣，發(fā)紫外光LED芯片和可被紫外光有效發(fā)射紅、綠、藍(lán)光的三基色熒光體有機(jī)結(jié)合組成白光LED。GaN芯片發(fā)射波長往短波移動，熒光粉的各色光來自單一或混合的熒光材料。優(yōu)點(diǎn)：更容易獲得顏色一致的白光，因?yàn)轭伾珒H僅由熒光粉的配比決定，還可以獲得很高的顯色指數(shù)。缺點(diǎn)：（1）高效的功率型紫外光LED不容易制作；（2）用高能量的UV光子激發(fā)低能量的紅、綠、藍(lán)光子導(dǎo)致效率較低；（3）封裝材料在紫外光的照射下容易老化，壽命縮短；（4）存在紫外光泄露的安全隱患。3.RGB三基色合成白光描述：將RGB三色LED芯片封裝在單個(gè)器件內(nèi)，通過分別調(diào)節(jié)三種顏色芯片的驅(qū)動電流改變?nèi)N色光的配比，可以獲得各種顏色的光，包括寬譜帶的白光。優(yōu)點(diǎn)：效率高、色溫可控、顯色性較好。缺點(diǎn)：

（1）三基色光衰不同導(dǎo)致色溫不穩(wěn)定；（2）驅(qū)動電路復(fù)雜；（3）成本較高。列舉LED照明的優(yōu)缺點(diǎn)：question:優(yōu)點(diǎn)：高能效；壽命長；……。缺點(diǎn)：價(jià)格高。LED照明的優(yōu)缺點(diǎn)電光轉(zhuǎn)換效率：%流明效率：lm/WLED發(fā)光效率LED同幾種光源的比較名稱耗電量（W）工作電壓

（v）協(xié)調(diào)控制發(fā)熱量可靠性使用壽命

（h）金屬鹵素?zé)?00220不易極高低3000霓虹燈500較高高高宜室內(nèi)3000鎂氖燈16W/m220較好較高較好6000日光燈4-100220不易較高低5000-8000冷陰極15W/m需逆變較好較低較好10000鎢絲燈15-200220不宜高低3000節(jié)能燈3-150220不宜調(diào)光低低5000LED燈極低直流12-36V

多種形式極低極高100000LED光源在性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他光源！！！LED同幾種光源的比較LED發(fā)展計(jì)劃美國LED行業(yè)的預(yù)測

世界各國政府LED發(fā)展計(jì)劃GaN藍(lán)光和更短波長LED的發(fā)明使得固體白光光源成為可能。國際上迅即出現(xiàn)高效白光LED的研究和產(chǎn)業(yè)化的競爭，并持續(xù)至今，發(fā)光效率不斷被提高，目前已經(jīng)超過300lm/W（lm:流明，表征光通量的單位），電光轉(zhuǎn)換率達(dá)50%以上。相比之下，節(jié)能燈的發(fā)光效率通常只有70lm/W左右。同時(shí)，各發(fā)達(dá)國家先后制定了基于固態(tài)照明的國家級研究項(xiàng)目。如日本的《21世紀(jì)照明技術(shù)》(Thelightfor21stcentury)，美國能源部設(shè)立了“固態(tài)照明國家研究項(xiàng)目”(NationalResearchProgramonSolidStateLighting)，共有13個(gè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、公司和大學(xué)參加，由國家能源部、國防先進(jìn)研究計(jì)劃總署和光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會聯(lián)合資助執(zhí)行。歐共體設(shè)立了“彩虹”計(jì)劃(RainbowProjectAlInGaNforMulticolorSources)，2003年6月，中國政府正式設(shè)立了“國家半導(dǎo)體照明工程項(xiàng)目”的國家級計(jì)劃。我國已經(jīng)成為全球最大的照明產(chǎn)品生產(chǎn)、消費(fèi)和出口國，國內(nèi)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)快速增長，對LED的推廣做出了很大的貢獻(xiàn)。今天我國已經(jīng)成為全球最大的照明產(chǎn)品生產(chǎn)、消費(fèi)和出口國，國內(nèi)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)快速增長，對LED的推廣做出了很大的貢獻(xiàn)。在經(jīng)歷了2015年的發(fā)展低谷和2016年的緩慢回升后，2017年中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)重新步入發(fā)展快車道。產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，整體產(chǎn)值達(dá)到6538億元，增速高達(dá)25.3%,實(shí)現(xiàn)年節(jié)電1983度，減少二氧化碳排放1.78億噸。核心技術(shù)不斷突破，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的功率硅基黃光、綠光及紫外芯片光效達(dá)到世界先進(jìn)水平；智能照明、農(nóng)業(yè)光照、光健康、光醫(yī)療、光通訊、殺菌消毒等新興應(yīng)用快速發(fā)展；企業(yè)競爭能力大幅提升，新的競爭格局正在形成，中國半導(dǎo)體照明正在向“產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國”的新時(shí)代闊步邁進(jìn)。人類對光明的追求是自身的本能。LED節(jié)能、環(huán)保和高效是人類夢寐以求的理想光源。LED正在帶動一場新的照明革命，造福全人類。LED燈壽命長達(dá)10萬小時(shí)，而白熾燈僅有1000個(gè)小時(shí)，熒光燈為1000小時(shí)，因此LED燈的使用可以大大節(jié)約資源。LED是冷光源，沒有不可見的紅外和紫外光，耗能僅僅是白熾燈耗能的1/8。我們不妨估算一下，2017年全國發(fā)電量為62758億千瓦時(shí)，其中1/5為照明所消耗，即約1.2萬億千瓦時(shí)。假設(shè)其中一半為白熾燈所消耗，計(jì)6千億千瓦時(shí)。如果用LED取代白熾燈，將節(jié)約電能4.8千億千瓦時(shí)，相當(dāng)于將近5個(gè)三峽電站的年發(fā)電量。目前全世界享受不到電網(wǎng)供電的人口超過15億，低能耗的LED特別適合于由太陽能供電的用戶，可望為黑暗中的人們送去光明，改善他們的生活。二、LED發(fā)光原理LED(lightemittingdiode)是一種體積非常微小的發(fā)光體，將二極管中原本分離的正極與負(fù)極，利用導(dǎo)電的方式加以結(jié)合，把電以光的形式釋放出來。是一種固態(tài)的半導(dǎo)體元件，是以化學(xué)元素表中的三五族（III-V）做為材料。LED發(fā)光原理LED其核心是PN結(jié)，由兩種不同極性的半導(dǎo)體材料組成，分別是p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體。p型半導(dǎo)體也稱為空穴型半導(dǎo)體，即空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。在p型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子，主要靠空穴導(dǎo)電。空穴主要由雜質(zhì)原子提供，自由電子由熱激發(fā)形成。摻入的雜質(zhì)越多，多子(空穴)的濃度就越高，導(dǎo)電性能就越強(qiáng)。n型半導(dǎo)體也稱為電子型半導(dǎo)體，即自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。PN結(jié)是指在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間的一個(gè)過渡層。在一定條件下，PN結(jié)中電子從N型材料擴(kuò)散到P區(qū)，而空穴從P型材料擴(kuò)散到N區(qū)，就在PN結(jié)處形成一個(gè)勢壘，阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)PN結(jié)外加一個(gè)正向偏置電壓時(shí)，PN結(jié)勢壘將降低，N區(qū)的電子將注入到P區(qū)，P區(qū)的空穴注入到N區(qū)，從而出現(xiàn)非平衡狀態(tài)。這些新注入的電子和空穴在PN結(jié)相遇發(fā)生復(fù)合，將多余的能量以光的形式釋放出來，即電能轉(zhuǎn)化為光能。LED發(fā)光原理圖LED發(fā)光原理動畫演示LED伏安特性LED是利用半導(dǎo)體中電子與空穴結(jié)合時(shí)，過剩的能量以光的形式釋放，而不同的材料會發(fā)出不同的波長，也就會看到不同顏色的光。我們可以藉由混晶比例來調(diào)整要發(fā)出的波長，但不同材料會受本身禁制帶寬度的限制，所以能控制的光波長也有一定的限度。使用久也不會像白熾燈泡般地發(fā)燙。＊(不會發(fā)燙是指在低工作電流下工作)第一只LED是1962年由Holonyak等人利用GaAsP材料制得的紅光LED，因?yàn)槠溟L壽命、抗電擊、抗震等特點(diǎn)而作為指示燈，1968年實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。1971年美國RCA實(shí)驗(yàn)室的Pankove研究發(fā)現(xiàn)了氮化物材料中形成高效藍(lán)色發(fā)光中心的雜質(zhì)原子，并研制出MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)的GaN藍(lán)光LED器件，這是全球最先誕生的藍(lán)色LED。1989年GaN的p型摻雜成為發(fā)明藍(lán)光LED另一項(xiàng)重大突破，赤崎勇和天野浩的研究小組在全球首次研制出了p-n結(jié)藍(lán)色LED。1997年，Schlotter等人和中村等人先后發(fā)明了用藍(lán)光LED管芯加黃光YAG熒光粉實(shí)現(xiàn)白光LED。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍(lán)光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光射，峰值550nm。2001年Kafmann等人用UVLED激發(fā)三基色熒光粉得到白光LED。2018年10月13日，中國科學(xué)院院士黃維和該校王建浦教授團(tuán)隊(duì)將鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）外量子效率提高到20.7%，較國際同行提升近一半，成果在國際學(xué)術(shù)刊物《自然》正刊發(fā)表。三、LED發(fā)展歷程固體電致發(fā)光的早期研究早在固體材料電子結(jié)構(gòu)理論建立之前，固體電致發(fā)光的研究就已經(jīng)開始。最早的相關(guān)報(bào)道可以追溯到上世紀(jì)初的1907年。就職于MarconiElectronics（馬可尼電子系統(tǒng)有限公司）的H.J.Ｒound在碳化硅（SiC）晶體的兩個(gè)觸點(diǎn)間施加電壓，在低電壓時(shí)觀察到黃光，隨電壓增加則觀察到更多顏色的光。前蘇聯(lián)的器件物理學(xué)家O.Losev(1903—1942)于上世紀(jì)二三十年代在國際刊物上發(fā)表了數(shù)篇有關(guān)SiC電致發(fā)光的論文。20世紀(jì)40年代半導(dǎo)體物理和p-n結(jié)的研究蓬勃發(fā)展，1947年在美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室誕生了晶體管。Shockley、Bardeenan和BrattALN共獲1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。人們開始意識到p-n結(jié)能夠用于發(fā)光器件。1951年美國陸軍信號工程實(shí)驗(yàn)室的K.Lehovec等人據(jù)此解釋了SiC的電致發(fā)光現(xiàn)象:即載流子（即電流載體）注入結(jié)區(qū)后電子和空穴復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光。然而，實(shí)測的光子能量要低于SiC的帶隙能量，他們認(rèn)為此復(fù)合過程可能是雜質(zhì)或晶格缺陷主導(dǎo)的過程。1955年和1956年，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的J.R.Haynes證實(shí)在鍺和硅中觀察到的電致發(fā)光是源于p-n結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合。1957年，H.Kroemer預(yù)言異質(zhì)結(jié)有著比同質(zhì)結(jié)更高的注入效率，同時(shí)對異質(zhì)結(jié)在太陽能電池中的應(yīng)用提出了許多設(shè)想。1960年R.L.Anderson第一次制成高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)，并提出系統(tǒng)的理論模型和能帶圖。1963年Z.I.Alferov和H.Kroemer各自獨(dú)立地提出基于異質(zhì)結(jié)的激光器的概念，指出利用異質(zhì)結(jié)的超注入特性實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的可行性，并且特別指出同質(zhì)結(jié)激光器不可能在室溫下連續(xù)工作。經(jīng)過堅(jiān)持不懈的努力，1969年異質(zhì)結(jié)激光器終于實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作，這構(gòu)成了現(xiàn)代光電子學(xué)的基礎(chǔ)。H.Kroemer和Z.I.Alferov因發(fā)明異質(zhì)結(jié)晶體管和激光二極管(LD)所做出的奠基性貢獻(xiàn)，獲得了2000年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。之后，GaAs倍受關(guān)注，基于GaAs的p-n結(jié)的制備技術(shù)迅速發(fā)展。GaAs是直接帶隙半導(dǎo)體材料，電子與空穴的復(fù)合不需要聲子的參與，非常適合于制作發(fā)光器件。GaAs的帶隙為1.4eV，相應(yīng)發(fā)光波長在紅外區(qū)。1962年夏天觀察到了p-n結(jié)的發(fā)光。數(shù)月后，三個(gè)研究組獨(dú)立且?guī)缀跬瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)了液氮溫度下(77K)GaAs的激光，他們分別是通用電氣，IBM和MIT林肯實(shí)驗(yàn)室。異質(zhì)結(jié)及后來的量子阱，能夠更好地限制載流子，提高激光二極管的工作性能。室溫下連續(xù)工作的LD被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。研究GaN以實(shí)現(xiàn)藍(lán)光LED的原因發(fā)射光子的能量近似為半導(dǎo)體的禁帶寬度，即導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的帶隙能量。禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個(gè)重要特征參量，其大小主要決定于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，即與晶體結(jié)構(gòu)和原子的結(jié)合性質(zhì)等有關(guān)。原子對價(jià)電子束縛得越緊，化合物半導(dǎo)體的價(jià)鍵極性越強(qiáng)，則禁帶寬度越大。硅(Si)、砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)的禁帶寬度在室溫下分別為1.24eV、1.42eV和3.40eV。半導(dǎo)體材料的發(fā)光波長受制于禁帶寬度，兩者之間的關(guān)系為發(fā)光波長(nm)=1240/禁帶寬度(eV)。因此，要實(shí)現(xiàn)波長為460nm的藍(lán)色發(fā)光需要禁帶寬度為2.7eV以上的寬禁帶半導(dǎo)體，比如GaN。赤崎勇、天野浩、中村修二物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)撸ㄗ笃穑┟谴髮W(xué)終身教授赤崎勇、名古屋大學(xué)教授天野浩、美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授中村修二手持獎(jiǎng)?wù)潞嫌傲裟睢Ｐ蕹烧鸬浠始铱茖W(xué)院于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2014年10月7日揭曉了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，日本科學(xué)家赤崎勇(IsamuAkasaki)、天野浩(HiroshiAmano)和美籍日裔科學(xué)家中村修二(ShujiNakamura)獲此殊榮，分享總額為800萬瑞典克朗的獎(jiǎng)金，以表彰他們發(fā)明了藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)。這是繼2009年“半導(dǎo)體成像器件電荷耦合器件”(CCD)獲獎(jiǎng)后又一個(gè)“發(fā)明類”諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。與其它獲得諾獎(jiǎng)的高精尖發(fā)明相比，藍(lán)色發(fā)光LED似乎并不起眼，其芯片只有芝麻大小，但LED燈在生活中卻幾乎隨處可見，而且價(jià)格低廉。20多年前，當(dāng)GaN藍(lán)色發(fā)光二極管第一次閃耀時(shí)，這項(xiàng)將對全人類的福祉作出重大貢獻(xiàn)的發(fā)明引起了整個(gè)科學(xué)界的震動。在寬禁帶半導(dǎo)體研究領(lǐng)域，國內(nèi)外的同行們期待LED贏取諾獎(jiǎng)已經(jīng)很多年了。艱難的探索——藍(lán)光LED業(yè)界的懷疑赤崎勇的選擇天野浩的發(fā)現(xiàn)中村修二的不走尋常路業(yè)界的懷疑第一只LED是1962年由Holonyak等人利用GaAsP材料制得的紅光LED，因?yàn)槠溟L壽命、抗電擊、抗震等特點(diǎn)而作為指示燈，1968年實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。20世紀(jì)70年代，隨著材料生長和器件制備技術(shù)的改進(jìn)，LED的顏色從紅光擴(kuò)展到黃綠光。20世紀(jì)80年代，借助AlGaAs新材料的生長技術(shù)的發(fā)展，高質(zhì)量AlGaAs/GaAs量子阱得以應(yīng)用于LED結(jié)構(gòu)中，載流子在量子阱中的限制效應(yīng)大大地提高了LED的發(fā)光效率。20世紀(jì)90年代，四元系A(chǔ)lGaInP/GaAs晶格匹配材料的使用，使得LED的發(fā)光效率提高到幾十lm/W(lm:流明，表征光通量的單位)。美國惠普公司利用截角倒金字塔(TIP)管芯結(jié)構(gòu)得到的桔紅光的LED，其效率達(dá)到100lm/W。藍(lán)色發(fā)光LED的研究更為漫長和曲折。起初人們嘗試研究間接帶隙的SiC和直接帶隙的硒化鋅(ZnSe)，都沒能實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光。20世紀(jì)50年代后期，PhilipsResearch實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開始認(rèn)真研究基于GaN的新發(fā)光技術(shù)的可行性，盡管那時(shí)GaN的帶隙才剛剛被測定。H.G.Grimmeiss和H.Koelmans用不同的活化劑，實(shí)現(xiàn)了基于GaN的寬光譜高效光致發(fā)光，據(jù)此申請了一項(xiàng)專利。然而，當(dāng)時(shí)GaN晶體的生長非常難，只能得到粉末狀的小晶粒，根本無法制備p-n結(jié)。Philips的研究者放棄了GaN的研究，決定還是集中力量研究GaP體系。20世紀(jì)60年代后期，美國、日本和歐洲的數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)室，均在研究GaN的生長和摻雜技術(shù)。1969年，Maruska和Tietjen首先用化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporphaseDeposition)的方法在藍(lán)寶石襯底上制得大面積的GaN薄膜，這種方法是用HCl氣體與金屬Ga在高溫下反應(yīng)生成GaCl，然后再與NH3反應(yīng)生成GaN，這種方法的生長速率很快(可達(dá)到0.5μm/min)，可以得到很厚的薄膜，但由此得到的外延晶體有較高的本底n型載流子濃度，一般為1019cm-3

。1971年美國RCA實(shí)驗(yàn)室的Pankove研究發(fā)現(xiàn)了氮化物材料中形成高效藍(lán)色發(fā)光中心的雜質(zhì)原子，并研制出MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)的GaN藍(lán)光LED器件，這就是全球最先誕生的藍(lán)色LED。但是限于當(dāng)時(shí)的生長技術(shù)，難于長出高質(zhì)量的GaN薄膜材料，同時(shí)p型摻雜也未能解決，因此外部量子效率只有0.1%，看不到應(yīng)用的前景。藍(lán)色發(fā)光二極管成為橫在科學(xué)家面前的難題。GaN熔點(diǎn)高，缺乏匹配襯底，GaN晶體生長十分困難，而且能隙比ZnSe大，因此p型摻雜被認(rèn)為是難上加難。所以大多數(shù)研究人員都放棄了GaN的研究，或者轉(zhuǎn)戰(zhàn)ZnSe。GaN研究陷于較長時(shí)間的停滯期。赤崎勇的選擇GaN的研究一度處于停滯階段。在曠日持久的艱難跋涉中，許多人看不到希望而放棄了努力，日本的赤崎勇是少數(shù)的孤行者，奮斗了幾十年，在持久的探索中找到了一條通向光明的路。赤崎勇早在1966年前后就對藍(lán)色LED和藍(lán)色半導(dǎo)體激光器的研究持有強(qiáng)烈意愿。20世紀(jì)70年代，美國RCA公司和荷蘭飛利浦公司的同仁先后放棄氮化鎵研究，赤崎勇迎難而上，于1973年正式開始GaN藍(lán)色發(fā)光器件的研究。1974年，赤崎勇的研究小組利用舊的真空蒸鍍裝置改造拼湊了MBE(分子束外延生長)裝置，長出了不太均勻的GaN薄膜。第二年，赤崎勇提交的“關(guān)于藍(lán)色發(fā)光元件的應(yīng)用研究”申請獲得日本通商產(chǎn)業(yè)省的為期三年的資助。赤崎勇用這筆資金購置了新的MBE裝置繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但GaN薄膜的質(zhì)量并沒有得到提高。隨后他們又嘗試了HVPE(氫化物氣相外延)法，進(jìn)展仍然不盡如人意。赤崎勇認(rèn)識到：由于氮?dú)獾恼羝麎簶O高，采用超高真空的MBE法并不是最適合GaN的生長，而HVPE法的生長速度過快，而且伴隨部分逆反應(yīng)，晶體質(zhì)量較差。MOCVD(有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積)的生長速度介于MBE法和HVPE法之間，最適合GaN生長。于是在1979年赤崎勇決定采用MOCVD法研究GaN的生長。在襯底選擇上，赤崎勇綜合考慮晶體的對稱性、物理性質(zhì)的匹配、對高溫生長條件的耐受性等因素，經(jīng)過一年多實(shí)驗(yàn)，在對Si、GaAs和藍(lán)寶石等進(jìn)行反復(fù)對比研究后，決定使用藍(lán)寶石作為外延襯底。赤崎勇做出的這兩項(xiàng)選擇，即采用MOCVD生長法和藍(lán)寶石作為外延襯底，無疑是重要而關(guān)鍵的，至今仍然被廣泛采用。隨后，赤崎勇研制的MIS型藍(lán)色LED開始樣品供貨。在GaN研究取得突破的前夜，1981年赤崎勇離開松下技研到名古屋大學(xué)擔(dān)任教授。天野浩的發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)最尖端的MOCVD裝置不但價(jià)格昂貴，高達(dá)數(shù)千萬日元，而且沒有用于生長GaN的商用設(shè)備。赤崎勇研究室每年的研究經(jīng)費(fèi)約為300萬日元，他們只能自己動手，靠購買零部件，利用舊的加熱用振蕩器，企業(yè)捐贈的60cm的石英管等組裝完成了MOCVD裝置，但優(yōu)質(zhì)GaN薄膜的生長并不順利。1983年天野浩從名古屋大學(xué)工學(xué)部本科畢業(yè)后，幸運(yùn)成為赤崎勇的碩士研究生。在兩年的時(shí)間里，天野浩對襯底溫度、反應(yīng)室真空度、反應(yīng)氣體流量、生長時(shí)間等條件反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，做了1500多次實(shí)驗(yàn)，但依然沒有生長出好的GaN薄膜。1985年的一天，如同往常生長GaN一樣，天野浩把MOCVD的爐內(nèi)溫度提高到1000℃以上的生長溫度。這時(shí)，碰巧爐子出了問題，溫度只達(dá)到700～800℃左右，無法生長GaN薄膜。但此時(shí)天野浩的腦海里冒出了“加入Al也許能提高晶體質(zhì)量”的念頭。于是天野浩在藍(lán)寶石襯底上試著生長AlN薄膜，在這一過程中爐子恢復(fù)了正常，他又將爐溫提高到1000℃繼續(xù)生長GaN薄膜。后來樣品經(jīng)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)生長出了均勻的GaN薄膜。歪打正著成就了低溫生長AlN緩沖層技術(shù)，這是發(fā)明藍(lán)光LED的突破性技術(shù)之一，此成果于1986年發(fā)表在《應(yīng)用物理》快報(bào)上，天野浩為第一作者，赤崎勇名列第三。生長出優(yōu)質(zhì)GaN薄膜后，他們自然把重點(diǎn)放在了p型摻雜的研究上。天野浩選擇鋅(Zn)和鎂(Mg)作為受主，摻雜到GaN薄膜中，但嘗試了多次始終沒有實(shí)現(xiàn)p型摻雜。當(dāng)時(shí)正在攻讀博士的天野浩去NTT（日本電報(bào)電話公司）進(jìn)行了為期1個(gè)月左右的實(shí)習(xí)，他用電子顯微鏡觀察摻Zn的GaN薄膜表面，意外發(fā)現(xiàn)在反復(fù)的量測后樣品發(fā)出了極為微弱的熒光。天野浩認(rèn)為摻Zn的GaN薄膜的導(dǎo)電特性發(fā)生了變化，可是經(jīng)過測量，發(fā)現(xiàn)并沒有形成p型。就在天野浩覺得GaN薄膜可能真的無法實(shí)現(xiàn)p摻雜而決定放棄時(shí)，他看到了一本教科書，書中說Mg是比Zn更容易實(shí)現(xiàn)p型的受主。他把GaN薄膜中摻雜的受主由Zn換成Mg，再次進(jìn)行電子顯微鏡觀察，果然摻Mg的GaN薄膜變成了p型。赤崎勇教授與天野浩，將其發(fā)現(xiàn)發(fā)表在日本應(yīng)用物理期刊上，認(rèn)為是低能電子束輻照(LEEBI)的作用實(shí)現(xiàn)了GaN:Mg薄膜的p型導(dǎo)電。此發(fā)現(xiàn)卻造成了科學(xué)界的轟動，GaN的p型摻雜成為發(fā)明藍(lán)光LED另一項(xiàng)重大突破。赤崎勇和天野浩的研究小組很快于1989年在全球首次研制出了p-n結(jié)藍(lán)色LED。中村修二的不走尋常路

在GaN藍(lán)光LED探索發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，中村修二以一匹黑馬的姿態(tài)躍上舞臺。他憑著“作別人不做的題目才有最大的發(fā)展機(jī)會”的想法，選擇研究GaN。經(jīng)過數(shù)年努力，中村于1992年第一次利用了InGaN/GaN周期量子阱結(jié)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)的p-i-n結(jié)構(gòu)，大幅度提高了藍(lán)光LED的發(fā)光效率。他還發(fā)展了外延技術(shù)，用低溫生長的薄層GaN替換AlN作為緩沖層。同時(shí)中村等人為了解開p型GaN的謎團(tuán)做了一系列的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電子束對于p型激活的作用只可能來自于熱激活和高能電子的轟擊兩種因素。他們將GaN:Mg樣品放入700℃以上的N2和NH3氣氛下退火，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)都成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的p型GaN。實(shí)驗(yàn)證明熱處理(退火)能有效激活摻雜的Mg受主。至此，p型GaN的難題得以突破。1993年，藍(lán)光LED實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。四、LED產(chǎn)業(yè)鏈襯底外延片芯片LED封裝應(yīng)用照明LED背光車燈顯示屏LED指示LED裝飾交通信號燈襯底襯底是LED芯片的承載部分襯底材料種類：藍(lán)寶石（Al2O3）、碳化硅（SiC）、硅（Si）、氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）、氧化鋅（ZnO）。外延外延片制作是LED芯片制造的核心部分。外延生長技術(shù)：

LPE：液相外延【liquidphaseepitaxy】由溶液中析出固相物質(zhì)并沉積在襯底上生成單晶薄層的方法。液相外延由尼爾松于1963年發(fā)明，成為化合物半導(dǎo)體單晶薄層的主要生長方法，被廣泛的用于電子器件的生產(chǎn)上。薄層材料和襯底材料相同的稱為同質(zhì)外延，反之稱為異質(zhì)外延。

VPE：汽相外延【vaporphaseepitaxy】在氣相狀態(tài)下，將半導(dǎo)體材料淀積在單晶片上，使它沿著單晶片的結(jié)晶軸方向生長出一層厚度和電阻率合乎要求的單晶層。

MOCVD：有機(jī)金屬汽相法【Metal-organic

Chemical

Vapor

Deposition】載流氣體通過有機(jī)金屬反應(yīng)源的容器時(shí)，將反應(yīng)源的飽和蒸氣帶至反應(yīng)腔中與其它反應(yīng)氣體混合，然后在被加熱的基板上面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)促成薄膜的成長。LED芯片LED的心臟按用途來分類：可根據(jù)用途分為大功率led、小功率led芯片兩種；按顏色來分：主要分為三種：紅色、綠色、藍(lán)色（制作白光的原料）；按形狀分類：一般分為方片、圓片兩種；按大小分類：芯片一般分為8mil、9mil、12mil、14mil等。大陸LED芯片廠商

三安光電、上海藍(lán)光、士蘭明芯、大連路美、迪源光電、華燦光電、南昌欣磊、上海金橋大晨、河北立德、河北匯能、深圳奧倫德、深圳世紀(jì)晶源、廣州普光、揚(yáng)州華夏集成、甘肅新天電公司、東莞福地電子材料、清芯光電、晶能光電、中微光電子、乾照光電、晶宇光電、深圳方大，山東華光、上海藍(lán)寶等。臺灣LED芯片廠商晶元光電、廣鎵光電、新世紀(jì)、華上、泰谷光電、燦圓、奇力、鉅新、光宏、晶發(fā)、視創(chuàng)、洲磊、聯(lián)勝、漢光、光磊、鼎元、國通、聯(lián)鼎、全新光電、華興、東貝、光鼎、億光、佰鴻、今臺、菱生精密、立基、光寶、宏齊等。國外LED芯片廠商

CREE，惠普（HP），日亞化學(xué)（Nichia），豐田合成，大洋日酸，東芝、昭和電工（SDK），旭明（Smileds），歐司朗（Osram），GeLcore，首爾半導(dǎo)體，普瑞，韓國安螢（Epivalley）等。三者的區(qū)別：襯底外延片芯片question:1.襯底是指藍(lán)寶石晶棒或者是硅經(jīng)過切片，清洗，還沒有其他工藝加工的裸片。也叫基片。2.外延片是指經(jīng)過MOCVD等加工的片子。外延生長的基本原理是:在一塊加熱至適當(dāng)溫度的襯底基片(主要有藍(lán)寶石和、SiC、Si)上，氣態(tài)物質(zhì)InGaAlP有控制的輸送到襯底表面，生長出特定單晶薄膜。具體流程是襯底-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-緩沖層生長-N型GaN層生長-多量子阱發(fā)光層生長-P型GaN層生長-退火-檢測(光熒光、X射線)-外延片3.芯片則是最后的工藝，在外延片上進(jìn)一步加工的來的。具體流程是外延片→清洗→鍍透明電極層→透明電極圖形光刻→腐蝕→去膠→平臺圖形光刻→干法刻蝕→去膠→退火→SiO2沉積→窗口圖形光刻→SiO2腐蝕→去膠→N極圖形光刻→預(yù)清洗→鍍膜→剝離→退火→P極圖形光刻→鍍膜→剝離→研磨→切割→芯片→成品測試。

LED封裝是指發(fā)光芯片的封裝，相比集成電路封裝有較大不同。集成電路的芯片被密封在封裝體內(nèi)，封裝的作用主要是保護(hù)芯片和完成電氣互連。LED封裝不僅要求能夠保護(hù)芯片，而且還要能夠透光。所以LED的封裝對封裝材料有特殊的要求。LED封裝形式可以說是五花八門，主要根據(jù)不同的應(yīng)用場合采用相應(yīng)的外形尺寸，散熱對策和出光效果。LED按封裝形式分類有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。LED封裝

LED引腳式封裝采用引線支架作各種封裝外型的引腳，是最先研發(fā)成功投放市場的封裝結(jié)構(gòu)，品種數(shù)量繁多，技術(shù)成熟度較高，可做成有色透明或無色透明和有色散射或無色散射的透鏡封裝，不同的透鏡形狀構(gòu)成多種外形及尺寸，例如，圓形按直徑分為Φ2mm、Φ3mm、Φ4.4mm、Φ5mm、Φ7mm等數(shù)種。LED引腳式封裝引腳式LED主要由芯片、金線、反光材料、支架、環(huán)氧樹脂等物料組成。引腳式LED結(jié)構(gòu)

表貼式封裝的LED是貼于線路板表面，可回流焊，很好地解決了亮度、視角、平整度、可靠性、一致性等問題，采用了更輕的PCB板和反射層材料，改進(jìn)后去掉了引腳式LED較重的碳鋼材料引腳，使顯示反射層需要填充的環(huán)氧樹脂更少，目的是縮小尺寸，降低重量。這樣，表貼式LED可輕易地將產(chǎn)品重量減輕一半，最終使應(yīng)用更加完美。LED表貼式封裝

表貼式LED主要由FPC電路板、LED芯片、優(yōu)質(zhì)硅膠套管制成。貼片LED的規(guī)格常見的有3528、5050、1210等。表貼式LED功率型LED是將功率型LED芯片焊接在具有焊料凸點(diǎn)的硅載體上，然后把完成焊接的硅載體裝入熱沉與管殼中，鍵合引線進(jìn)行封裝。LED功率型封裝

LED封裝逐步往大功率方向發(fā)展，在大電流下產(chǎn)生比Φ5mmLED大10~20倍的光通量，必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題。目前能承受數(shù)瓦功率的LED封裝已出現(xiàn)。5W系列白、綠、藍(lán)綠、藍(lán)的功率型LED從2003年初開始供貨，目前已開發(fā)出可承受10W功率的LED。功率型LEDLED指示LED裝飾LED裝飾LED背光LED顯示屏LED車燈LED交通信號燈20世紀(jì)60年代初----隨著技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體技術(shù)在照明領(lǐng)域掀起了一場新的革命。LED舞臺燈LED植物燈

LED植物生長燈是種植物燈的一種，它以LED（發(fā)光二極管）為光源，依照植物生長規(guī)律必須需要太陽光，用燈光代替太陽光給植物生長發(fā)育環(huán)境的一種燈具。LED智能照明相比傳統(tǒng)燈和節(jié)能燈，LED的特性只有通過智能化才能完全體現(xiàn)出其價(jià)值來。實(shí)現(xiàn)智能的方式上，主要是從驅(qū)動電源和控制系統(tǒng)兩方面進(jìn)行，LED照明易于實(shí)現(xiàn)無線智能照明控制，無線控制方式有很多種，如wifi、zigbee、藍(lán)牙等。未來，智能控制將在LED領(lǐng)域得到普及使用，目前智能控制主要的LED應(yīng)用是在路燈和隧道燈等政府工程類，隨著大眾消費(fèi)的智能控制LED產(chǎn)品推出，普通照明LED應(yīng)用的大規(guī)模普及，整體上智能型LED應(yīng)用產(chǎn)品的比例將逐步增大。列舉LED的應(yīng)用：question:列舉LED的應(yīng)用：指示裝飾背光顯示屏車燈交通信號燈舞臺燈植物生產(chǎn)燈照明answer:五、LED照明產(chǎn)品分類LED燈LED燈具LED驅(qū)動器LED連接器在世界產(chǎn)業(yè)鏈中的位置知識產(chǎn)權(quán)現(xiàn)狀發(fā)展規(guī)劃存在的問題六、知識產(chǎn)權(quán)現(xiàn)狀案例導(dǎo)入：達(dá)摩克利斯之劍達(dá)摩克利斯是公元前4世紀(jì)意大利敘拉古的僭主狄奧尼修斯二世的朝臣，他非常喜歡奉承狄奧尼修斯。他奉承道：作為一個(gè)擁有權(quán)力和威信的偉人，狄奧尼修斯實(shí)在很幸運(yùn)。狄奧尼修斯提議與他交換一天的身份，那他就可以嘗試到首領(lǐng)的命運(yùn)。在晚上舉行的宴會里，達(dá)摩克利斯非常享受成為國王的感覺。當(dāng)晚餐快結(jié)束的時(shí)候，他抬頭才注意到王位上方僅用一根馬鬃懸掛著的利劍。他立即失去了對美食和美女的興趣，并請求僭主放過他，他再也不想得到這樣的幸運(yùn)。啟示1、一個(gè)人擁有多大的權(quán)力，那么他就要負(fù)多大的責(zé)任。2、當(dāng)一個(gè)人獲取多少榮譽(yù)和地位，他都要付出同樣多的代價(jià)。3、我們不用羨慕別人擁有多少，而要想到別人為此付出了多少。4、當(dāng)我們想要得到多少，那我們就必須準(zhǔn)備好更大的付出，來換取收獲。5、對隨時(shí)可能帶來的嚴(yán)重后果，要做到謹(jǐn)慎。6、