先進材料引論-LED

LED照明

——照明領(lǐng)域的又一次革命13照明的定義

照明是以人們的生活、活動為目的對光的利用，如：（1）用光照亮可視物體及周圍環(huán)境；（2）使用光作用于人的情感和烘托氣氛；（3）通過信號、標識、展板及電氣標識等傳達信息，突出顯示光源自身；（4）主要使用可見光，也可使用紫外線、紅外線光線和輻射4光是電磁波輻射到人的眼睛，經(jīng)視覺神經(jīng)轉(zhuǎn)換為光線，即能被肉眼看見的那部分光譜。這類射線的波長范圍在360到830nm之間，僅僅是電磁輻射光譜非常小的一部分。照明的三大要素物體亮度L（nt）照度E（lx）發(fā)光強度I（cd）光源亮度L（nt）光源

主觀亮度光通量Φ（lm）關(guān)鍵詞：輻射學(xué)、光度學(xué)、色度學(xué)；亮度、照度、顏色……6顏色和波長光的顏色是否可以看見是由它的波長決定，光的波長是以納米（nm）為單位。可見光的波長范圍在380nm-780nm，以下是光的顏色和它的波長：中紅外線紅光：4600nm–1600nm不可見光低紅外線紅光：1300nm–870nm不可見光850nm–810nm幾乎不可見光近紅外線光：780nm-740nm7顏色和波長光通量(lm):光源在單位時間內(nèi)所發(fā)出的能量,其中可產(chǎn)生視覺者(人能感覺出來的輻射通量)即稱為光通量。光通量的單位為流明(簡寫lm),1流明(lumen或lm)定義為一國際標準燭光的光源在單位立體弧角內(nèi)所通過的光通量。

光照度(lm/m2)：

可用照度計直接測量。光照度的單位是勒克斯，是英文lux的音譯，也可寫為lx。被光均勻照射的物體，在單位面積上的光通量。8光效

(lm/w)：光源發(fā)出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源節(jié)能的重要指標。光束角

(°)：通常稱角度，指于垂直光束中心線之一平面上，發(fā)光強度等于50%最大發(fā)光強度的二個方向之間的夾角。照明術(shù)語照明術(shù)語色溫：光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫。色溫在3000k以下有溫暖的感覺，達到穩(wěn)重的氣氛；色溫在3000k-5000k為中間色溫，有爽快的感覺；色溫在5000k以上有冷的感覺。顯色性：光源的顯色性是由顯色指數(shù)來表明，它表示物體在光下顏色比基準光（太陽能）照明時顏色的偏離能較全面反映光源的顏色特性。要正確表現(xiàn)物體本來的顏色需使用顯色指數(shù)高的光源。910燭光1930K正白冷白白熾燈2760K熒光燈3000K午日光5600K藍天12000K~18000K暖白顯色與色溫顯色色溫白光LED11照明發(fā)展史

121879愛迪生發(fā)明燈泡1901出現(xiàn)熒光燈1919出現(xiàn)金屬鈉燈1970第一個發(fā)紅光的LED1995

高亮度的LED藍、白1990高亮度的LED紅、黃、綠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(超過100lm/W)LED作為一種新型的照明光源是未來的發(fā)展趨勢白熾燈歷史將終結(jié)13白熾燈會把消耗能量中的90%轉(zhuǎn)化為無用的熱能，只少于10%的能量會成為光白熾燈是將燈絲通電加熱到白熾狀態(tài)，利用熱輻射發(fā)出可見光的電光源優(yōu)點：成本低，可調(diào)性高，顯色性極佳（Ra=100）。缺點：光效低，壽命短，色溫低、易碎全球白熾燈禁用時間表14中國發(fā)改委預(yù)計10年內(nèi)禁用（禁售）白熾燈。為加快推進節(jié)能減排，逐步淘汰白熾燈，國家發(fā)改委目前與聯(lián)合國開發(fā)計劃署（UNDP)，全球環(huán)境基金（GEF）合作共同開展“中國逐步淘汰白熾燈，加快推廣節(jié)能燈”項目，支持研究編制《中國逐步淘汰白熾燈，加快推廣節(jié)能燈行動計劃》。美國2012年1月到2014年1月。大多數(shù)白熾燈將于2014年在美國市場上禁止出售。日本日本政府宣布截至2012年，日本全面禁止使用白熾燈。歐盟各國2012年起禁用所有瓦數(shù)的傳統(tǒng)燈泡……節(jié)能燈的特點15節(jié)能燈——稀土三基色緊湊型熒光燈主要是通過鎮(zhèn)流器給燈管燈絲加熱，大約在1160K溫度時，燈絲就開始發(fā)射電子（固在燈絲上涂了一些電子粉）電子碰撞氬原子彈性碰撞，氬原子碰撞后，獲得能量又撞擊內(nèi)部的汞原子，汞原子在吸收能量后，躍遷產(chǎn)生電離；發(fā)出253.7nm的紫外線，紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光節(jié)能燈發(fā)光效率是白熾燈的5倍，比普通白熾燈節(jié)電60%-80%，使用壽命多4-6倍優(yōu)點：光效高、壽命長。缺點：不環(huán)保、有頻閃、不可調(diào)、易碎節(jié)能燈的缺點16一只普通的節(jié)能燈含汞只有0.5mg，但是它的危害是驚人的：可以污染1000升水，通過土壤滲入地下，污染180噸地下水，揮發(fā)進入空氣，會污染300立方米空氣目前我國登記在冊的節(jié)能燈生產(chǎn)企業(yè)有近2000家，年生產(chǎn)節(jié)能燈24億只。中國國內(nèi)每年報廢的節(jié)能燈有十億支，只能面臨著被丟入垃圾箱的命運，造成污染我國對廢舊節(jié)能燈的回收體系還處于空白，生產(chǎn)企業(yè)回收成本高達數(shù)千萬，難以承受17高壓鈉燈是一種高強度氣體放電燈泡。當燈泡啟動后，電弧管兩端電極之間產(chǎn)生電弧，電子與鈉原子、汞原子之間碰撞激發(fā)，多余的能量以光輻射的形式釋放，便產(chǎn)生了光。優(yōu)點：發(fā)光效率高、耗電少、壽命長、透霧能力強和不銹蝕。缺點：不環(huán)保，顯色性差，色溫低、啟動慢高壓鈉燈金鹵燈金鹵燈是交流電源工作的，在汞和稀有金屬的鹵化物混合蒸氣中產(chǎn)生電弧放電發(fā)光的放電燈，廣泛應(yīng)用于體育場館、展覽中心、大型商場、工業(yè)廠房、街道廣場、車站、碼頭等場所的室內(nèi)照明。優(yōu)點：光效較高(100lm/w)，壽命較長(10000h)，顯色性好(Ra65～95)，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定缺點：不環(huán)保、啟動慢什么是LEDLED發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。LED核心部件主要由III-V族化合物PN結(jié)組合成的半導(dǎo)體發(fā)光芯片，當兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光。18LED——LightEmittingDiode什么是LEDLED屬于一種半導(dǎo)體元器件。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)體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當它處于正向工作狀態(tài)時(即兩端加上正向電壓)，電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。19LED效率的歷史演變20未來的機會在哪里？21LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，是照明領(lǐng)域的又一次革命LED長壽命高發(fā)光效率可靠耐用性安全性高綠色照明光源節(jié)能光源LED同幾種光源的比較22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）金屬鹵素燈100220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10000023支架：用來導(dǎo)電和支撐，Cu，Ni，Ag。銀膠：固定芯片和導(dǎo)，主要成分是銀粉75-80%，環(huán)氧樹脂10-15%，添加劑5-10%。晶片：LED器件的核心。大多以III-V，

II-VI化合物半導(dǎo)體為材料（GaP,GaAlAs,GaAs,GaN)，覆蓋了紅光到紫外區(qū)域金線：連接晶片與支架，并使其能夠?qū)ōh(huán)氧樹脂：成形，保護LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)，聚光LED的結(jié)構(gòu)

LED的主要組成部分，可分為：1、支架；2、銀膠；3、晶片；4、金線；5、環(huán)氧。24LED的結(jié)構(gòu)LED優(yōu)點25LED器件工藝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電極刻蝕前工序外延片AlGaInp、GaN基芯片AlGaInp、GaN基超高亮度及白光LED（含專用顯示器）

襯底

金屬有機物源

高純氣體

高純化學(xué)試劑高純金屬

高純化學(xué)試劑

光刻膠

后工序各種不同顏色、外型LED封裝

環(huán)氧樹脂

高純金絲、硅鋁絲

封裝模具

銀

漿

金屬支架、底座熒光粉

塑料零件

超高亮度及白光LED產(chǎn)業(yè)鏈

特種照明白光照明

白光照明（大功率）

安全照明白光器件（小功率）燈具、燈座、金屬、塑料結(jié)構(gòu)件

封裝原料

電源變換器

其他主要應(yīng)用面屏幕顯示背光源汽車用燈交通信號燈裝飾照明景觀照明專用顯示器儀器儀表顯示其他顯示控制、驅(qū)動電路顯示單元金屬、塑料結(jié)構(gòu)件

金屬、塑料件導(dǎo)光板線路板燈具結(jié)構(gòu)件塑料件背光顯示板金屬、塑料結(jié)構(gòu)件

線路板金屬、塑料件線路板電源變換器導(dǎo)光板、管超高亮度及白光LED產(chǎn)業(yè)鏈前工序外延片AlGaInp、GaN基芯片AlGaInp、GaN基超高亮度及白光LED（含專用顯示器）

襯底

金屬有機物源

高純氣體

高純化學(xué)試劑

高純金屬

高純化學(xué)試劑

光刻膠

后工序各種不同顏色、外型LED封裝

環(huán)氧樹脂

高純金絲、硅鋁絲

封裝模具

銀

漿

金屬支架、底座熒光粉

塑料零件

超高亮度及白光LED（含專用顯示器）

特種照明白光照明

白光照明（大功率）

安全照明白光器件（小功率）燈具、燈座、金屬、塑料結(jié)構(gòu)件

封裝原料

電源變換器

其他主要應(yīng)用面屏幕顯示背光源汽車用燈交通信號燈裝飾照明景觀照明專用顯示器儀器儀表顯示其他顯示控制、驅(qū)動電路顯示單元金屬、塑料結(jié)構(gòu)件

金屬、塑料件導(dǎo)光板線路板燈具結(jié)構(gòu)件塑料件背光顯示板金屬、塑料結(jié)構(gòu)件

線路板金屬、塑料件線路板電源變換器導(dǎo)光板、管LED的分類LED按照發(fā)光顏色分類30紅、橙、綠、藍、黃光統(tǒng)稱為色光,主要應(yīng)用在指示或裝飾方面白光是照明行業(yè)主要用到的光源白光LED白光又可細分為暖白中性白冷白31色溫：光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫。色溫在3000k以下有溫暖的感覺，達到穩(wěn)重的氣氛；色溫在3000k-5000k為中間色溫，有爽快的感覺；色溫在5000k以上有冷的感覺。顯色性：光源的顯色性是由顯色指數(shù)來表明，它表示物體在光下顏色比基準光（太陽能）照明時顏色的偏離能較全面反映光源的顏色特性。要正確表現(xiàn)物體本來的顏色需使用顯色指數(shù)高的光源。目標：高顯色性、低色溫白光LED32白光LED的產(chǎn)生RGB三基色RedBlueGreen白光LED的產(chǎn)生白光LED的產(chǎn)生——單芯片33Howtoobtainwhitelight?

Photoluminescence+bluelightexcitedbyLEDfromLED藍光LED+YAG:Ce黃色熒光粉=白光藍光LED+紅色熒光粉+綠色熒光粉=白光UVLED+紅色熒光粉+綠色熒光粉+藍色熒光粉=白光目前商品化白光LED產(chǎn)品的主要實現(xiàn)形式,技術(shù)方案最成熟，成本最低,但是顯色指數(shù)低，欠紅白光LED的產(chǎn)生——多芯片34白光LED的產(chǎn)生藍LED

+綠LED

+紅LED=白光這種通過RGB方法合成白光的主要問題是綠光的轉(zhuǎn)換效率低，所以總體的效率不高。同時三種顏色的LED的正向電壓和光輸出不同，另外它們的溫度特性和光維持特性也不同，因而對電路的要求比較高。白光LED的產(chǎn)生35白光產(chǎn)生方式優(yōu)點缺點單芯片藍光LED+YAG單一芯片產(chǎn)生白光，成本低，電子線路設(shè)計簡單白色光不夠均勻顯色性不佳熒光粉材料不易尋找UVLED+熒光粉熒光粉材料容易尋找，可使用轉(zhuǎn)換效率高于YAG熒光材料，發(fā)光效率有提高空間，顯色性佳發(fā)光效率低，封裝材料被紫外光照射易產(chǎn)生老化，限于熒光粉涂敷，使白光不夠均勻多芯片紅、綠、藍三色光組合發(fā)光效率較高，可動態(tài)調(diào)整色溫，顯色性佳三基色發(fā)光效率不均，對電路的要求比較高，成本高LED的應(yīng)用標識顯示照明警示標記識別文字圖像顯示屏特種照明背光源汽車照明夜景照明普通照明LED的應(yīng)用37景觀照明是我國當前LED產(chǎn)業(yè)的第一大應(yīng)用市場LED的應(yīng)用38LED路燈2008年全球擁有1.83億盞路燈，絕大部分是高低壓鈉燈與水銀燈，LED燈只有90萬盞左右，占比僅0.5%。隨著全球各地政府的積極推進，預(yù)計2009年LED路燈占比達到1%左右，2010年占比將提升至2.2%，即450萬盞左右。隨著LED路燈的占比逐漸升高，未來LED路燈的市場規(guī)模也將迅速擴大LED的應(yīng)用汽車車燈：用于發(fā)光指示的LED在汽車照明應(yīng)用中被大量采用39隨著歐盟淘汰白熾燈第一階段禁令的正式生效，歐盟與其他國家也陸續(xù)宣布新車加裝晝行燈，Lumileds與Osram已經(jīng)推出大功率車用前照燈，并取得重要突破。車用LED市場近幾年仍將保持兩位數(shù)以上較快速增長，2011年市場規(guī)模達到12億美元LED的應(yīng)用背光源市場

LED背光液晶電視402007年以前，LED的主要應(yīng)用領(lǐng)域是手機背光源，高端中大尺寸液晶顯示屏背光源占比僅2%。2007年之后，大尺寸面板背光及一般照明應(yīng)用開始帶動LED產(chǎn)業(yè)進入另一波成長期。LED的應(yīng)用通用照明41一般照明市場以白熾燈/鹵素燈、節(jié)能燈最為常用?；诠?jié)能的考慮，白熾燈被節(jié)能燈、LED燈替代是大勢所趨。但是目前LED燈成本比較高，技術(shù)還沒有完全成熟，節(jié)能燈在短期內(nèi)將發(fā)揮主要替代作用。但隨著技術(shù)進步及生產(chǎn)效率提高，LED燈的價格不斷下降，LED照明將邁入快速發(fā)展期并逐漸成為LED市場的主流。

LED照明光源的應(yīng)用數(shù)字化色光技術(shù)及應(yīng)用產(chǎn)品

舞臺燈、水下變色燈、醫(yī)療用燈等；特種照明場所

低溫度照明場所：冷庫、冷柜、冰箱；應(yīng)急照明；戶內(nèi)外廣告照明；低照度照明：草坪燈、庭院燈、廊燈、門牌燈；普通照明便攜式照明；閱讀照明：飛機、汽車、臺燈；室內(nèi)照明：高度4m以下，同時對光效、色溫、顯色性都有要求；道路照明要求：低色溫：3000K左右；總光通量：10.5m寬次干路15lx照度，要求光源總光通量25000lm以上（燈具效率70％）。LED應(yīng)用展望43LED的普及主要受制于成本過高，隨著LED價格每年下降20%~25%，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。高亮LED成為LED市場的主流，也是LED產(chǎn)業(yè)的盈利點。新興應(yīng)用市場如通用照明、汽車前燈、大屏幕LCD背光源等將成為高亮度LED市場增長的新動力，未來5年內(nèi)高亮度LED市場將增長一倍以上。目前來看，背光源應(yīng)用時機已經(jīng)成熟，將成為未來幾年LED應(yīng)用市場的一個亮點，長遠來看，未來的通用照明應(yīng)用值得期待。LED產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀LED產(chǎn)業(yè)鏈44LED產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀從全球來看，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)已形成以美國、亞洲、歐洲三大區(qū)域為主導(dǎo)的三足鼎立的產(chǎn)業(yè)分布與競爭格局。美國Cree、Lumileds，日本Nichia、ToyodaGosei，德國Osram等壟斷高端產(chǎn)品市場。隨著市場的快速發(fā)展，美國、日本、歐洲各主要廠商紛紛擴產(chǎn)，加快搶占市場份額。45LED產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀全球主要LED企業(yè)專利授權(quán)關(guān)系圖46材料學(xué)研究方向材料學(xué)研究方向材料學(xué)研究方向國內(nèi)外LED材料學(xué)發(fā)展方向47材料學(xué)研究方向LED外延片的生長LED芯片制備LED芯片封裝LED產(chǎn)品設(shè)計制作國內(nèi)外LED材料學(xué)發(fā)展方向襯底材料48襯底材料是LED外延生長的基礎(chǔ)，不同的襯底材料需要不同的外延生長技術(shù)，并且在一定程度上影響芯片加工和器件封裝技術(shù)的選擇。因此，襯底材料是各個技術(shù)環(huán)節(jié)的上游和關(guān)鍵所在。

LED襯底材料的選擇通常有以下要求：

①結(jié)構(gòu)特性好，外延材料與襯底的晶格結(jié)構(gòu)相同或相近；②界面特性好，有利于外延材料的生長，并且粘附性強；③化學(xué)穩(wěn)定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和被腐蝕；④熱學(xué)性能好，包括熱導(dǎo)性好和熱失配度小；⑤光學(xué)性能好，對光的吸收少，有利于提高器件的放光效率；⑥有良好的導(dǎo)電性，能制成上下層結(jié)構(gòu)；⑦機械性能好，器件容易加工⑧尺寸大通常要求直徑不小于2in（1in=0.0245m);⑨價格低廉國內(nèi)外LED材料學(xué)發(fā)展方向49襯底材料最高流明度生產(chǎn)成本穩(wěn)定性導(dǎo)熱性使用壽命產(chǎn)業(yè)化水平藍寶石（Al2O3）中中一般差短高硅（Si）低低良好長低碳化硅（SiC）高高良好長高由于國際上各主要LED企業(yè)均注重保護襯底的技術(shù)保護，國內(nèi)很難從其購買到高質(zhì)量的商用襯底材料，因而實際上控制了整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此開發(fā)Si尤其是SiC襯底單晶生長技術(shù)，獲得自主知識產(chǎn)權(quán)是極其迫切的半導(dǎo)體材料學(xué)研究課題國內(nèi)外LED材料學(xué)發(fā)展方向LED外延材料和技術(shù)50從LED工作原理可知，外延片是LED產(chǎn)業(yè)的核心部分。LED的波長、亮度、正向電壓等主要光電參數(shù)基本上取決于外延片材料國內(nèi)外LED材料學(xué)發(fā)展方向LED外延材料和技術(shù)51LED未來外延片技術(shù)發(fā)展趨勢改進兩步法生長工藝，開發(fā)可一次裝入更對襯底外延片的生長，降低成本，獲得高度自動化的可重復(fù)性的單片設(shè)備氫化物氣相外延片（HVPE）技術(shù)，快速生長低位錯密度的厚膜選擇性外延片生長或側(cè)向外延片生長技術(shù)，進一步減小位錯密度，改善外延片晶體質(zhì)量懸空外延片技術(shù)，減少由于襯底和外延片層之間晶格失配和熱失配引發(fā)的大量晶格缺陷研發(fā)波長短的UVLED外延片，為發(fā)展UV三基色熒光粉白光LED奠定基礎(chǔ)開發(fā)多量子阱型芯片技術(shù)，在芯片發(fā)光層的生長過程中，摻雜不同的雜質(zhì)，直接獲得白光國內(nèi)外LED材料學(xué)發(fā)展方向LED封裝散