白光LED的過去今天與未來

1、LED，是一種 ;LED白光 LED的過去今天與未來摘要：LEDLEDLED LED目錄.03.0404LED06LED08LED10LED11LED12LED1215.16十二 . 參考文獻(xiàn) 17引言近年來，全球性的能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出， 人們迫切希望應(yīng)用節(jié)能環(huán)保的新技術(shù)， 半導(dǎo)體照明就是具備這種魅力的新技術(shù)。 半導(dǎo)體照明以壽命長、節(jié)能、 綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備、儀器儀表、交通信號燈、汽車、背光源以及各種照明等方面。上世紀(jì)90年代以來，隨著氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體的興起，以及白色 LED的研究成功，使實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體白光 LED照明成為可能 1 。白光 LED是

2、LED用于照明的市場基礎(chǔ)，白光 LED的開發(fā)成功預(yù)示著人類照明光源一次新的變革。自1988年開發(fā)成功白光 LED以來，發(fā)光效率已從當(dāng)初的 5 1mW不斷提高，1999年達(dá) 15 1m W， 2000年達(dá) 25 1mW，2005年達(dá) 70 lm/W，預(yù)計(jì) 2006年底將達(dá)到 90lm/W，而有報(bào)道稱在 2007年將完成 150 lm/W產(chǎn)品的開發(fā)。比原來的預(yù)計(jì)無論從時(shí)間上還是光效上都大大的超前。由于白光 LED光效的迅速提高，加之它體積小、耐振動、響應(yīng)速度快、方向性好、壽命長達(dá)數(shù)萬小時(shí)，光色接近白熾燈的光色，可低壓驅(qū)動，無汞和鉛的污染，將發(fā)展成為可用來替代白熾燈、 熒光燈的主要綠色光源。 本文主

3、要介紹了提高白光LED光效率取得的技術(shù)進(jìn)展。1 發(fā)光二極管的簡介及發(fā)展現(xiàn)狀半導(dǎo)體發(fā)光二極管是常用電子元件二極管中的一種類型。 發(fā)光二極管又叫光發(fā)射二極管 (Light Emitting Diode ，簡稱為 LED)2 ，是一種可將電能變?yōu)楣饽艿囊环N器件， 屬于固態(tài)光源。世界上于 1960 年前后制成 GaP 發(fā)光二極管，于 1970 年后開始進(jìn)入市場，當(dāng)時(shí)的 LED以紅色為主，由于光效率較低，光通量很小， 因此只能在電器設(shè)備和儀器儀表上作為指示燈使用。隨著管芯材料、結(jié)構(gòu)、封裝技術(shù)和驅(qū)動電路技術(shù)的不斷進(jìn)步， LED 光色種類的增加， 發(fā)光效率和光能量的提高， 目前 LED已在科研和生產(chǎn)領(lǐng)域得到

4、了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)建設(shè)快速發(fā)展，市場應(yīng)用數(shù)量增長迅猛。尤其是高光效、高亮度的白色 LED的開發(fā)成功，使得 LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。人們普遍認(rèn)為， LED在不久的將來將部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈， 成為一種新型的照明光源， 那將是一場照明領(lǐng)域的革命。2 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光原理、分類及特點(diǎn)2.1發(fā)光原理用于照明的電光源， 根據(jù)發(fā)光的機(jī)理主要可分為熱輻射光源、 氣體放電光源和場致發(fā)光光源等幾大類。 目前廣泛應(yīng)用的是以白熾燈為代表熱輻射光源和以熒光燈為代表的氣體放電光源， 而場致發(fā)光則是一種正在發(fā)展中的新型面光源。場致發(fā)光又稱為電致發(fā)光，根據(jù)發(fā)光原理的區(qū)別，場致發(fā)光有本

5、征場致發(fā)光和注入式場致發(fā)光之分， 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光為注入式場致發(fā)光，是一種固體在電場作用下直接發(fā)光的一種現(xiàn)象。半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光原理：發(fā)光二極管是由簇化合物，如GaP(磷化鎵 ) 、GaAsP (磷砷化鎵 ) 等半導(dǎo)體制成的。發(fā)光二極管的核心部分是由 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體組成的晶片， 在 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為 PN結(jié)，因此它具有一般 PN結(jié)的 I-U 特性，即正向?qū)?，反向截止，擊穿特性；此外存一定的條件下，它還具有發(fā)光特性。制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重?fù)诫s的，熱平衡狀態(tài)下的 N區(qū)有很多遷移率很高的電子， P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。由于 PN結(jié)阻擋層

6、的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復(fù)合。當(dāng)在發(fā)光二極管 PN結(jié)上加正向電壓時(shí)，空間電荷層變窄，載流子擴(kuò)散運(yùn)動大于漂移運(yùn)動，致使 P區(qū)的空穴注入 N 區(qū)， N區(qū)的電子注入 P區(qū)。于是在 PN結(jié)附近稍偏于 P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇復(fù)合時(shí)會把多余的能量釋放并以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)化成光能，這種復(fù)合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射。其示意 圖1 如圖 。當(dāng)在發(fā)光二極管的 PN結(jié)上加反向電壓， 少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光 3 。圖 1半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光原理圖嚴(yán)格來說二極管發(fā)光有二種： 第一種是注入的電子與價(jià)帶空穴的復(fù)合是在 P區(qū)中發(fā)生，則可直接復(fù)合產(chǎn)生發(fā)光；或者注入的電子先被

7、發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光，這種情況下發(fā)出的光為可見光。第二種是注入的電子有一些被非發(fā)光中心捕獲， 而后再與空穴復(fù)合， 由于釋放的能量不大，雖然能夠發(fā)光，但所發(fā)出的光是不可見的，即不可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大， 光量子效率越高。 由于復(fù)合是在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的， 所以光僅在靠近 PN結(jié)數(shù)毫米以內(nèi)產(chǎn)生。 發(fā)光的波長取決于材料的價(jià)帶寬度， 所以選用不同價(jià)帶寬度的半導(dǎo)體材料， 就可以制造出發(fā)光顏色不同的發(fā)光二極管。 發(fā)光二極管發(fā)光亮度可以通過工作電壓 ( 電流 ) 的大小來調(diào)節(jié)， 在很寬的工作電流范圍內(nèi)， 發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與工作電流大小成線性關(guān)系 。2.2發(fā)光二極管的分類

8、發(fā)光二極管的種類很多，按發(fā)光材料來區(qū)分有磷化鎵 (GaP)發(fā)光二極管、磷砷化鎵 (GaAsP)發(fā)光二極管、砷鋁鎵 (GaAlAs) 發(fā)光二極管等；按發(fā)光顏色來分有發(fā)紅光、黃光、綠光、白光以及眼睛看不見的紅外發(fā)光二極管等；若按功率來區(qū)別可分為小功率 (HG 400系列 ) 、中功率 (HG50系列 ) 和大功率 (HG52系列 ) 發(fā)光二極管；另外還有多色、變色發(fā)光二極管等。2.3半導(dǎo)體發(fā)光二極管的特點(diǎn)LED是半導(dǎo)體器件通過 PN結(jié)實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。它有如下的特點(diǎn)：1) 安全、節(jié)能、不引起環(huán)境污染發(fā)光二極管的正向工作電壓低 ( 為 1.5 3.0 V)，工作電流小 ( 為 5 150mA)，由此工作

9、安全性好。隨著技術(shù)的進(jìn)步，它將成為一種新型的照明光源。目前白光 LED的光效已經(jīng)達(dá)到 70 lm W，優(yōu)于白熾燈，即將超越熒光燈 (60 100 lm w)，人們按現(xiàn)在 LED技術(shù)發(fā)展的速度預(yù)測， 2010年左右白光 LED的光效將達(dá)到 150200 lm/W ，超過所有照明光源的光效。此外，現(xiàn)在使用的白熾燈工作的過程中，發(fā)出過多的熱量，影響環(huán)境溫度；而現(xiàn)在廣泛使用的熒光燈、 汞燈等光源中含有危害人體健康的汞， 這樣在發(fā)光過程和廢棄的燈管都會對人身健康和環(huán)境造成危害 4 。而 LED則沒有這些問題。是一種無污染的光源。2) 壽命長、響應(yīng)快一般來講，普通白熾燈的壽命約為 1000 h，熒光燈壽命

10、約 1Wh，而LED的壽命可達(dá)到 2 10Wh，可見其壽命長得多。 LED發(fā)光的響應(yīng)快，它的響應(yīng)時(shí)間為納秒級，熒光燈一般為毫秒級。3) 體積小、結(jié)構(gòu)牢固LED是用環(huán)氧樹脂封裝同態(tài)光源， 其結(jié)構(gòu)既不像白熾燈有玻璃泡、 燈絲等易損壞部件， 也不像熒光燈有體積大的燈管和附件， 它是一種全同體結(jié)構(gòu)，因此能經(jīng)得起震動、沖擊而不至損壞，而且體積也相對減小，重量也輕，成本低。綜上所述， LED是一種符合綠色照明要求的光源。所謂“綠色照明”的概念就是通過科學(xué)的照明設(shè)計(jì)，采用效率高、 壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明產(chǎn)品，改善提高人們工作、生活、學(xué)習(xí)的條件和質(zhì)量，從而創(chuàng)造一個(gè)高效、安全、經(jīng)濟(jì)、健康有益的環(huán)境并充分體

11、現(xiàn)現(xiàn)代要求的照明3 白光 LED的制作方法對于照明來說， 人們更需要的是白色的光源， 白光是多種顏色混合而成的光，目前實(shí)現(xiàn)白光 LED的技術(shù)大抵可分為三種：一是用 InGaN藍(lán)色 LED 激發(fā)釔鋁石 (YAG)熒光粉或其它熒光粉；二是利用三基色 (RGB，即紅光、綠光、藍(lán)光 ) 原理將紅、綠、藍(lán)三種高亮度 LED混合成白光；三是用紫外光LED激發(fā)三基色熒光粉或其它熒光粉，產(chǎn)生多色光混合成白光5 。三種技術(shù)均已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其結(jié)構(gòu)也從單芯片到多芯片不等( 表1下頁) 。作為照明用的白光 LED重要的特性參數(shù)是光亮度( 能量 ) 和光色 ( 光譜能量分布 ) 。對于LED來說，單純地增加輸入功率其亮

12、度會成比例上升，但LED芯片的發(fā)熱量會隨之增加，過多的熱將會損壞它的結(jié)晶和封裝而縮短壽命。因此使輸入的電能高效地轉(zhuǎn)換成光能是重要的關(guān)鍵技術(shù)。 目前高輸出型 LED的量子效率僅為 10% 左右，而空穴和電子對能量中的 90%成為內(nèi)部熱 被耗損掉，如將這部分內(nèi)部耗損的熱能轉(zhuǎn)換成光能就可提高光亮度。改進(jìn)的方法有研究新的 LED發(fā)光材料、提高發(fā)光層內(nèi)部的結(jié)合的機(jī)率、提高從芯片中取出光的效率等。所以將現(xiàn)有的 LED的光亮度提高 34倍，超過熒光燈的光亮度的水平是完全可能的。表 1 產(chǎn)生白光 LED的幾種主要方案芯激發(fā)源芯片材料和發(fā)光原理缺點(diǎn)片熒光粉數(shù)藍(lán)色 LEDInGaN YAG 熒光InGaN藍(lán)光激發(fā)

13、 YAG黃色顯色指數(shù)差； 熒粉熒光粉混合成白光光粉的吸收率低，能量轉(zhuǎn)化效率低藍(lán)色 LEDInGaN， YAGInGaN藍(lán)光激發(fā)紅綠藍(lán)三熒光粉壽命低單三基色熒光粉基色熒光粉混合成白光于 LED能量轉(zhuǎn)化效率低芯藍(lán)色 LEDZnSe由薄膜層發(fā)出的藍(lán)光和離產(chǎn)業(yè)化尚遠(yuǎn)片基板上激發(fā)出的黃光混合成白光近紫外 LEDInGaNInGaN近紫外、紫外光激熒光粉壽命低紫外 LED三基色熒光粉發(fā)紅綠藍(lán)三基色熒光粉于 LED能量轉(zhuǎn)化混合成白光效率低直接發(fā)白光InGaN AlInGaP隧道結(jié)再生結(jié)構(gòu)和鍵合研發(fā)階段技術(shù)使單芯片發(fā)出藍(lán)綠紅光混合成白光藍(lán)色 LEDInGaN具有補(bǔ)色關(guān)系的兩種芯顯色性差雙黃色 LEDGa片封裝

14、在一起構(gòu)成白光芯藍(lán)色 LEDInGaN片黃綠色 LEDGa黃綠 LEDInGa黃色 LEDGaP三紅、綠、藍(lán)三AlInGaP 、 InGaN、三基色芯片封裝在一起成本高，商業(yè)化芯基色 LEDInGaN構(gòu)成白光進(jìn)展緩慢片四黃色 LEDGaP、AlInGaP將遍布可見光取得多種成本高，商業(yè)化芯三基色 LEDInGaN、InGaN芯片封裝進(jìn)程緩慢片在一起構(gòu)成白光4 提高白光 LED效率的技術(shù)探討使白光 LED在照明中普遍應(yīng)用的關(guān)鍵問題是進(jìn)一步提高白光 LED的發(fā)光效率。4.1利用內(nèi)部量子提高LED發(fā)光效率內(nèi)部量子效率表示每秒從發(fā)光層發(fā)射出光子數(shù) ( 每秒 ) 從外部注入的電子數(shù)，簡單的說，就是發(fā)光二

15、極管組件本身的電光轉(zhuǎn)換效率，主要與組件本身的特性如組件材料的能帶、缺陷、雜質(zhì)、組件的磊晶 (Epitoxy) 組成及結(jié)構(gòu)等相關(guān)。 目前在成熟的四元發(fā)光二極管中， 其內(nèi)部量子效率已達(dá)90%以上，但作為白光發(fā)光二極管主要激發(fā)源的藍(lán)光發(fā)光二極管，受限于藍(lán)寶石基板 (Sapphire) 晶格系數(shù)與磊晶層材料存有約 16.3%晶格不匹配度，形成發(fā)光二極管組件后具有相對高的結(jié)晶缺陷， 使其內(nèi)部量子效率僅有 50%左右。為了提高藍(lán)光發(fā)光二極管內(nèi)部量子效率，開發(fā)氮化鎵 (GaN)基板成為主要的技術(shù)課題之一， 目前氮化鎵基板的成長法， 主要有高溫高壓溶液法與 HVPE(Hydride Vapor Phase E

16、pitaxy) 法為主的氣相法，不過前者只能獲得數(shù) mm結(jié)晶的氮化鎵基板，后者雖有住友 (Sumitomo) 及日立電線 (Hitachi Cable) 等公司成功開發(fā)并試產(chǎn) 2 英吋的基板，不過產(chǎn)品的單價(jià)與量產(chǎn)性都有待改進(jìn)。未來若能在此領(lǐng)域獲得重大的技術(shù)突破， 利用氮化鎵基板上生長氮化鎵，由于基板與磊晶層材料完全相同， 自然不會有晶格匹配與熱膨脹系數(shù)不同的問題產(chǎn)生，所制成的藍(lán)光發(fā)光二極管無論在輸出功率、發(fā)光亮度、產(chǎn)品壽命等產(chǎn)品特性， 將會有很大的改進(jìn)， 相對地將大幅增進(jìn)白光發(fā)光二極管發(fā)光效率。4.2 光取出提高LED發(fā)光效率所謂的取光效率是指發(fā)光二極管內(nèi)部產(chǎn)生的光子， 在經(jīng)過組件本身的吸收、

17、折射、反射后實(shí)際上在組件外部可量測到的光子數(shù)目。白光發(fā)光二極管主要以藍(lán)光發(fā)光二極管為激發(fā)源。 藍(lán)光發(fā)光二極管受限于材料的吸收及電流分布不均， 以及臨界角損失等因素， 造成真正能從發(fā)光二極管向外發(fā)出的光，僅有發(fā)光層所發(fā)出光量的 4%左右。換言之，縱使藍(lán)光發(fā)光二極管內(nèi)部量子效率極高， 但是在晶粒外部所能真正接收到的光卻很少， 若再加計(jì)透過熒光粉進(jìn)行光色轉(zhuǎn)換所造成的光損失， 則白光發(fā)光二極管發(fā)光效率更顯得不足，因此藍(lán)光發(fā)光二極管取光效率的提升仍有很大的技術(shù)瓶頸待克服。4.3利用微波提高LED發(fā)光效率輸入到常用的白熾燈的電能， 只有很少的一部分可用來發(fā)光， 余者均以熱的行式彌散掉了。一般的光發(fā)射二極管

18、 (LED)也面臨著類似的能量轉(zhuǎn)換效率低的問題。 那些對白光照明不適用的常規(guī)有機(jī)光發(fā)射二極管， 只有 10% 的輸入電能可以轉(zhuǎn)換成光。 傳統(tǒng)的看法認(rèn)為， 這種能量轉(zhuǎn)換效率或許最高只能提高到 25% 。但是，猶太大學(xué)的科學(xué)家們認(rèn)為，這個(gè)能量轉(zhuǎn)換效率的極限并不適用于所有可能的光發(fā)射二極管材料。他們的試驗(yàn)結(jié)果表明，有些可以發(fā)射白光的場致發(fā)光聚合物和齊聚物可將 41%63% 的輸入電能轉(zhuǎn)換成光。這些發(fā)現(xiàn)，推動了那些適用于激光、顯示、室內(nèi)照明、計(jì)算機(jī)熒光屏以及電視的更為有效的光發(fā)射體的研究當(dāng)入射的負(fù)、 正電荷 ( 電子和空穴 ) 結(jié)合成的單激子相繼衰減時(shí)， 光發(fā)射二極管便產(chǎn)生光。量子效率極限為 25%是

19、根據(jù)每四次電子和空穴的結(jié)合中有一次能發(fā)射光這個(gè)理論得出的， 并認(rèn)為這是電子和空穴每個(gè)都具有獨(dú)特的自旋特性的直接結(jié)果。 為了證實(shí)這點(diǎn)， 猶太大學(xué)的科學(xué)家們用 10個(gè)不同的 - 共軛的聚合物薄膜和齊聚物薄膜放置在超冷溫度下的磁場中，然后用激光使這些材料發(fā)射光， 還用微波照射這些薄膜。 他們的結(jié)果表明在這種條件下，有些材料，特別是那些發(fā)紅光和藍(lán)紫光的材料，可發(fā)射出比在其他條件下更強(qiáng)的光。輸入電能轉(zhuǎn)換成光的效率能達(dá)到 41% 63% 。利用微波來提高商品光發(fā)射二極管的發(fā)光效率，既昂貴又不實(shí)用，但卻證實(shí)了傳統(tǒng)的量子效率極限為 25%是不正確的猶太大學(xué)的科學(xué)家們正在研究用鐵化合物和化學(xué)品摻雜的光發(fā)射塑料，

20、 以期將其發(fā)光效率提高到用微波時(shí)達(dá)到的發(fā)光效率。4.4利用二維光子結(jié)晶結(jié)構(gòu)提高LED發(fā)光效率日本京都大學(xué)和科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu) (JST) 組成的聯(lián)合研究小組宣布，在發(fā)光元件結(jié)構(gòu)中使用二維光子結(jié)晶結(jié)構(gòu)可提高發(fā)光二極管 (LED)的發(fā)光效率。與沒有光子結(jié)晶結(jié)構(gòu)相比，將發(fā)光元件內(nèi)部發(fā)出的光線照射到 LED 發(fā)光面法線方向的效率 ( 光導(dǎo)效率 ) 達(dá)到了 45倍7 。過去，由 LED內(nèi)部發(fā)出的光線大多沿發(fā)光面方向照射，因?yàn)闆]有出口，就會發(fā)熱。所謂光子結(jié)晶，就是指使光通過的物質(zhì)像結(jié)晶一樣周期性地產(chǎn)生折射率的變化。這種結(jié)晶具有波長與其柵格間隙相接近的光線無法進(jìn)入結(jié)晶內(nèi)部的性質(zhì)。具體是指，通過形成與發(fā)光元件中

21、心波長除以構(gòu)成光子結(jié)晶的介質(zhì)折射率所得到的值相接近的周期結(jié)構(gòu)，阻止光的進(jìn)入。 沿元件發(fā)光面以二維方式形成這種周期結(jié)構(gòu)，使其沿發(fā)光面具備一種周期結(jié)構(gòu)，也就是有規(guī)則地形成蜂窩狀的孔。由此，光線就無法沿發(fā)光面方向前進(jìn)，絕大部分就會沿發(fā)光面的法線方向傳導(dǎo)出來。結(jié)果，光導(dǎo)效率就會提高，理論上可達(dá)到 100%。在不采用提高光導(dǎo)效率的方法時(shí)，紅色LED的光導(dǎo)效率僅為20%左右。此次通過在 LED的發(fā)光部分使用 InGaAsP材料，結(jié)晶柵格間隙為390480nm時(shí)，光導(dǎo)效率得到了提高。與沒有光子結(jié)晶結(jié)構(gòu)時(shí)相比，達(dá)到了45倍，而 390480nm的周期則接近于 InGaAsP的發(fā)光中心波長 1550nm除以 I

22、nGaAsP的折射率 3.3 所得的值。光導(dǎo)效率能夠得到提高的波長之所以分布于 390480nm之間，與垂直于發(fā)光面形成的孔徑有關(guān)?？讖皆酱螅鈱?dǎo)效率能夠得到提高的波長寬度就越大，反之，孔徑越小，波長寬度就越窄。5 白光 LED的技術(shù)進(jìn)展5.1西鐵城最新LED發(fā)布2006 年 3 月西鐵城開發(fā)出全球發(fā)光效率最高最亮的白光 LED。日本LED制造商西鐵城電子公司開發(fā)出一個(gè)多芯片式白光 LED光源，發(fā)光效率達(dá)到 70lm/W，總光通量為 245 lm 。這個(gè) CL L100 系列封裝包含有 24 個(gè)由日亞公司提供藍(lán)光 LED芯片，4mm寬× 40mm長。耗電量為 3.5W。70lm/W光

23、效值比公司現(xiàn)在的產(chǎn)品要高 40%，并且宣稱是全球發(fā)光效率最高最亮的白色 LED。熒光燈通常是每瓦 60100 lm 。西鐵城電子計(jì)劃到 2006 年底把發(fā)光效率提高到 901m/W，將達(dá)到與高性能熒光燈泡相當(dāng)?shù)乃?。如果把十個(gè)這種白色 LED連接起來用 12V 的電壓驅(qū)動， 35W的耗電量可以輸出 2450 lm 的總光通量。 這個(gè)相當(dāng)于用 60%的能量消耗和汽車鹵素?zé)舻?1.6 倍亮度的光通量。 西鐵城電子公司表示， 這款產(chǎn)品壽命大約 40,000 小時(shí)。底板上使用了導(dǎo)熱性好的銅材料。包括芯片在內(nèi)的模塊熱阻為6K/W,西鐵城電子公司計(jì)劃在今年內(nèi)付樣品，價(jià)格大約在 5000 日元。產(chǎn)品可廣泛應(yīng)

24、用于汽車頭和普通照明。5.2日亞化工公布最新成果2006 年 6 月日亞化學(xué)工業(yè)日前開發(fā)出了發(fā)光效率為 100lm/W 的白色發(fā)光二極管（ LED）， 2006 年 6 月開始供應(yīng)樣品。計(jì)劃同年 12 月投入量產(chǎn)。從發(fā)光效率來說， 性能超過了普及型熒光燈，可與發(fā)光效率較高的品種比肩。 2005 年該公司曾表示 2010 年前后量產(chǎn) 100 lm/W 產(chǎn)品。這次公布的消息將量產(chǎn)時(shí)間提前了 3 4 年。日亞化學(xué)工業(yè)即將供應(yīng)樣品的白色LED在 20mA的輸入電流下可得到 6 lm 的光通量。屬于輸入電力僅為 0.06W 的小功率品種。具體價(jià)格將于今后商定。日亞化學(xué)工業(yè)還公布了 2007 年以后的開發(fā)

25、藍(lán)圖。據(jù)稱 ，2007 年將完成 150lm/W產(chǎn)品的開發(fā)。此前，其他廠商紛紛表示將于 2006 年 2007 年前后投產(chǎn) 90lm/W100lm/W產(chǎn)品，而日亞化學(xué)工業(yè)只是公布了一個(gè)保守值。為了實(shí)現(xiàn) 100lm/W的發(fā)光效率，日亞化學(xué)工業(yè)改進(jìn)了構(gòu)成白色 LED的藍(lán)色 LED芯片的形狀與電極結(jié)構(gòu)，配合芯片使用的 YAG類黃色熒光材料，以及封裝形狀的 4 大關(guān)鍵技術(shù)?！斑@些改進(jìn)很早之前就開始穩(wěn)步推進(jìn)了。這次的成果可以說是先前工作的集大成。 在特定的關(guān)鍵技術(shù)方面并沒有什么突破”（日亞化學(xué)工業(yè)常務(wù)董事四宮源市） 。對于 150lm/W的發(fā)光效率，估計(jì)可通過優(yōu)化此次采用的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。6 LE

26、D 照明現(xiàn)狀目前，全世界有近 200 家公司和 300 多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)從事氮化鎵基 LED的材料生長、器件制作工藝和相關(guān)設(shè)備制造的研究和開發(fā)工作。 居于領(lǐng)先水平的公司主要有日本的日亞、 Toyota Gosei 、索尼、三洋，美國的 Cree、Lumileds ，歐洲的歐斯朗、飛利浦等。這些跨國大公司多有原創(chuàng)性的專利、引領(lǐng)技術(shù)潮流，占有絕大多數(shù)的市場份額。其中日本的日亞公司是全世界研究和生產(chǎn) LED的“頂尖”單位，十余年來其氮化鎵基 LED 的研究和開發(fā)水平一直領(lǐng)先其他單位 23 年。日亞公司在生產(chǎn)白色 LED 的熒光粉材料方面擁有多項(xiàng)專利， 在 InGaN白色 LED芯片供應(yīng)上一直占有統(tǒng)

27、治地位，但專利技術(shù)一直控制在內(nèi)部使用。 美國加州大學(xué)固態(tài)發(fā)光及顯8示中心計(jì)劃在 2007 年前開發(fā)出效率為200 1mW 的白光 LED 。面對半導(dǎo)體照明將要形成的巨大市場，世界上各半導(dǎo)體公司和照明公司早已垂涎欲滴。目前，世界上掌握半導(dǎo)體照明技術(shù)的半導(dǎo)體公司，都已經(jīng)紛紛和老牌燈泡制造商結(jié)盟， 如美國 HP聯(lián)合了日本 Nichia 和德國西門子；美國 Cree、西門子和德國歐斯朗聯(lián)合；美國EMCORE和 GE聯(lián)合；日本的東芝和本田聯(lián)合等，其中歐斯朗和 GE公司都是世界著名的燈泡制造巨商。通用電氣、飛利浦、歐斯朗等世界三大照明工業(yè)巨頭，全都啟動大規(guī)模商用開發(fā)計(jì)劃，與半導(dǎo)體公司合作或并購，成立半導(dǎo)體

28、照明企業(yè)。他們還提出，要在 2010 年前使半導(dǎo)體燈的發(fā)光效率再提高 8 倍，價(jià)格降低到現(xiàn)價(jià)的 1/100 。中國大陸有 10 余家大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)及公司從事大功率LED的研究和開發(fā)，同時(shí)在國家產(chǎn)業(yè)扶持、臺商加入及國際巨頭三方推進(jìn)下， LED產(chǎn)業(yè)在我國已具相當(dāng)規(guī)模。至 2004 年底全國已有 LED各類企業(yè)約 3500 余家，從業(yè)人員 50 余萬人， LED器件產(chǎn)量 400 億只年以上，已初步形成從外延片生產(chǎn)、 芯片制備到器件封裝集成應(yīng)用的比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。生產(chǎn)企業(yè)重點(diǎn)分布在長江三角、珠江三角、江西、福建及環(huán)渤海灣等地區(qū)。根據(jù) ITIS 統(tǒng)計(jì)，去年中國大陸企業(yè)生產(chǎn)的 LED產(chǎn)值約 8 億美元，中

29、國臺灣 LED產(chǎn)值約 300 億美元。 在技術(shù)研發(fā)水平上， 國內(nèi)的藍(lán)光芯片指標(biāo)已達(dá)到國外中檔產(chǎn)品水平，個(gè)別研發(fā)機(jī)構(gòu)的技術(shù)水平已達(dá)世界先進(jìn)水平。 LED封裝技術(shù)與國外差距較小，在國際市場上已占有相當(dāng)大的份額，有可能取得關(guān)鍵技術(shù)突破，形成自主知識產(chǎn)權(quán)。另外，位于產(chǎn)業(yè)鏈下游的芯片封裝與照明應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，既是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，又是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，我國具有廉價(jià)勞動力優(yōu)勢， 因此有能力承接國際半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移。 據(jù)此，不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，中國有可能成為世界上最大的 LED生產(chǎn)基地之一。7 LED需改善之處從 LED技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀可看到，其發(fā)展速度非常之快。但是， LED想要在照明中全面普及，還需要解決一些技術(shù)性問

30、題：1) 光提取效率低雖然 LED的電光轉(zhuǎn)化效率較高， 但傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu) LED的光提取效率只有百分之幾，嚴(yán)重影響 LED的光輸出功率。2) 散熱問題散熱不良將導(dǎo)致芯片結(jié)溫迅速上升和環(huán)氧樹脂碳化變黃，從而造成LED的加速光衰，降低 LED的壽命，甚至失效。3) 價(jià)格較高這是影響 LED照明普及的主要原因，例如目前市場上臺灣產(chǎn)的 1W 的LED產(chǎn)品約 1.5 美元以上，而Lumileds 公司生產(chǎn)的 1W 的LED產(chǎn)品接近 6美元。上述問題的解決，仍需技術(shù)上的提升，如生長高質(zhì)量的外延片、設(shè)計(jì)新型的芯片結(jié)構(gòu)、采用倒裝焊封裝結(jié)構(gòu)、利用表面粗糙技術(shù)等等，不斷提高LED產(chǎn)品的性價(jià)比，使其朝著高效率、低成

31、本的方向發(fā)展，為LED在照明領(lǐng)域的普及提供有利條件。8 白光 LED照明前景進(jìn)入 21世紀(jì)后，能源與環(huán)境顯得越發(fā)重要， 節(jié)能環(huán)保成為人們的共識。當(dāng)前，照明約占世界總能耗的 2O左右，若能以耗能低、壽命長、環(huán)保安全的 LED取代目前低效率、高耗電的傳統(tǒng)照明，無疑將帶來一場世界性的照明革命，對我國的可持續(xù)發(fā)展更具有戰(zhàn)略意義 9 。 2004年，我國出現(xiàn)了自上世紀(jì) 90年代以來最為嚴(yán)重的缺電現(xiàn)象， 全國 26個(gè)省市拉閘限電， 僅華東地區(qū)就因拉閘限電造成了超過 200億元人民幣的損失。 2004年我國發(fā)電總量為 2.187W億千瓦時(shí)，其中又有 80%為火力發(fā)電，燃燒大量的原煤和石油，產(chǎn)生大量的污染物，

32、而只要目前 1 3的白熾燈被 LED代替的話，每年就可以為國家節(jié)省用電 1000億千瓦時(shí)，這相當(dāng)于節(jié)省一個(gè)三峽工程的年發(fā)電量。認(rèn)識到半導(dǎo)體照明的重要性，各國已紛紛開展半導(dǎo)體照明計(jì)劃。如表2國家立項(xiàng)時(shí)間2005中國年2003中國年臺灣2004韓國年2002歐洲年日本2001表 2 各國的半導(dǎo)體照明計(jì)劃項(xiàng)目名稱項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)預(yù)計(jì)效益國家半導(dǎo)體照20062020 年，投資 50100將建立半導(dǎo)體照明工程億元發(fā)展半導(dǎo)體照明技術(shù)，明產(chǎn)業(yè)，全面進(jìn)入形成自主知識產(chǎn)權(quán)， LED達(dá)通用照明市場， 占到 150200lm/W,15元有 30%50% 的市RMB/klm場份額，實(shí)現(xiàn)節(jié)電30%以上，年照明節(jié)電 1000

33、億千瓦時(shí)以上次世紀(jì)照明光以白光 LED 取代 25%的白熾每年可節(jié)省110 億源開發(fā)計(jì)劃燈和 100%的熒光燈千瓦時(shí)，相當(dāng)于一座核電站發(fā)電量固態(tài)照明計(jì)劃企業(yè)提供 30%的配套資金，預(yù)期 2008 年達(dá)到 80lm/W彩虹計(jì)劃通過歐共體的補(bǔ)助金推廣通過應(yīng)用半導(dǎo)體LED的應(yīng)用照明實(shí)現(xiàn)高效、 節(jié)能、不使用有害環(huán)境的材料、 模擬自然光的目標(biāo)21 世紀(jì)光計(jì)劃到 2006 年，50%的傳統(tǒng)照明可減少 12 座核電年被白光 LED取代廠發(fā)電量， 每年節(jié)省 10 億公升以上的原油消耗2005國家半導(dǎo)體照到 2010 年，55%的白熾燈和每年節(jié)省 350 億美年明計(jì)劃熒光燈被白光 LED取代元電費(fèi)，每年減少美國

34、7.55 億噸 CO2 排放量，形成 500 億美元的大產(chǎn)業(yè)LED照明目前尚處于發(fā)展期，預(yù)計(jì)2010年左右將達(dá)成熟期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年，全球 LED需求市場是 32億美元， 2008年將達(dá) 56億美元。 2004年，全球 LED應(yīng)用市場規(guī)模超 120億美元， 2010年將達(dá) 500億美元 10 。半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)在我國有著巨大的發(fā)展空間， 我國城市眾多， 僅北京就有近兩萬個(gè)交通燈， LED交通照明市場十分廣闊。一部分城市已開始在城市亮化工程中采用 LED照明產(chǎn)品， LED在裝飾景觀照明的需求量也將進(jìn)一步上升。 我國有3億戶家庭，家居照明如果普遍采用 LED照明，這個(gè)市場將給各 LED廠商帶來幾

35、十年的效益。中國持續(xù)擴(kuò)大內(nèi)需，加速城市現(xiàn)代化建設(shè)、北京舉辦2008奧林匹克運(yùn)動會、 上海舉辦 2010世界博覽會等等重大熱門事件， 必將為LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來良好契機(jī)。預(yù)計(jì) LED光源發(fā)展目標(biāo)如表 3所列。表 3 LED光源發(fā)展目標(biāo)半導(dǎo)體照明光源技術(shù)指標(biāo)2007白熾燈熒光燈2012 年2020 年年轉(zhuǎn)換效率 (1m W)751502001685壽命 (khr)>20>100>100110光通量 (1m lamp)2001,0001,5001,2003,400輸入功率 (Wlamp)2.76.47.57540流明成本 ($ klm)燈成本 ($ lamp)20<5&l

36、t;20.41.54<4<30.55顯色指數(shù) Ra市場進(jìn)入80>80>809575白熾熒光燈燈9 結(jié)束語本文主要對 LED的發(fā)光原理，白光 LED的制造方式以及高效率白光LED的開發(fā)和技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了介紹。并聯(lián)系 LED光效的過去及現(xiàn)狀，展望其未來?；鸢训氖褂檬侨祟愓彰魇返牡谝淮胃锩?， 愛迪生的鎢絲照明技術(shù)是人類照明史的第二次革命， 而 LED的發(fā)明特別是白光 LED的出現(xiàn)被業(yè)界人士稱為人類照明技術(shù)的第三次革命。自從日亞化學(xué)中村博士發(fā)表藍(lán)光LED之后，利用藍(lán)光 LED制成的白光 LED一直被視為次世代主要照明光源，高效白光 LED替代現(xiàn)有各類光源成為主要照明光源的趨勢是科技發(fā)展的必然結(jié)果。但目前的技術(shù)要全面取代傳統(tǒng)燈具還