級(jí)-大三上光子學(xué)前沿講座

藍(lán)光LED過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)王鋼教授光子學(xué)前沿講座1907年，SiCLED的誕生LED起源于1907年，H.J.Round發(fā)現(xiàn)SiC的微晶結(jié)構(gòu)具有發(fā)光能力，這是第一顆發(fā)光的LED（當(dāng)時(shí)是肖特基二極管，而不是目前的PN結(jié)二極管）。1962年，GaAs和AlGaAs紅外和紅光LED誕生紅光LED發(fā)明人---NickHolonyakJr.1962年，Holonyak和Bevacqua在應(yīng)用物理期刊發(fā)表了使用GaAsP為發(fā)光材料的紅光LED，這是第一顆可見(jiàn)光LED，使用氣相磊晶法(VPE)在GaAs基板上長(zhǎng)出GaAsP二極管PN結(jié)面，其優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單、低成本，缺點(diǎn)是由于GaAsP薄膜與GaAs晶格不匹配導(dǎo)致發(fā)光效率低下(約為0.1lm/w).1972年，M.GeorgeCraford使用N摻雜，成功做出第一顆黃光波段的GaAsP/GaP材料系LED，不僅提高了光效，而且將發(fā)光波長(zhǎng)進(jìn)行了延伸。1972年，黃光LED誕生M.GeorgeCraford半個(gè)世紀(jì)，紅光黃光LED都出現(xiàn)了，唯獨(dú)缺少藍(lán)光LED1972年，發(fā)現(xiàn)GaN可以發(fā)出微弱藍(lán)光，但到實(shí)際應(yīng)用仍有較大距離，光色體系中唯獨(dú)缺藍(lán)光波長(zhǎng)與顏色波長(zhǎng)與發(fā)光顏色取決于材料的帶隙寬度如何實(shí)現(xiàn)藍(lán)光？關(guān)鍵在制備手段？上世紀(jì)80年代，潛在藍(lán)光LED制備材料為氧化鋅（ZnO）和硒化鋅（ZnSe），很少有人關(guān)心氮化鎵（GaN），藍(lán)光LED進(jìn)展緩慢。日本中村修二發(fā)明了高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管，解決了實(shí)用化問(wèn)題藍(lán)光LED構(gòu)造變遷

氮化物L(fēng)ED發(fā)光管的器件結(jié)構(gòu)及發(fā)光機(jī)理electrons電子空穴復(fù)合發(fā)光P歐姆接觸N歐姆接觸藍(lán)寶石或碳化硅2014年諾貝爾獎(jiǎng)授予了藍(lán)光LED2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了藍(lán)光LED發(fā)明人赤崎勇、天野浩-藍(lán)光LED的生長(zhǎng)基礎(chǔ)問(wèn)題中村修二-通過(guò)改造設(shè)備，攻克p型摻雜，解決了藍(lán)光LED實(shí)用化問(wèn)題。ShujiNakamura（中村修二）1994年在日亞化學(xué)(Nicchia)發(fā)明了GaN藍(lán)光LED白光LED點(diǎn)燃了真正“綠色照明”的光輝，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有價(jià)值的新光源；白光LED將取代白熾燈和日光燈成為照明市場(chǎng)的主導(dǎo)；白光LED使照明技術(shù)面臨一場(chǎng)新的革命，從而一定程度上改善人類(lèi)的生產(chǎn)和生活方式。Google之中村修二的故事藍(lán)光LED，使照明成為可能固態(tài):光輻射來(lái)源于固體----半導(dǎo)體材料

SSL（SolidStateLighting）:從第一個(gè)發(fā)光二極管(light-emittingdiodes)的發(fā)明開(kāi)始（1907年SiC肖特基二極管）第四代照明技術(shù)：固態(tài)照明白光LED（WhiteLEDs）白光LED工作機(jī)制-白光的形成

第一種方法:1993,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)高亮度藍(lán)光LED發(fā)明后，根據(jù)顏色疊加原理，把紅、綠、藍(lán)三色LED經(jīng)過(guò)合理的疊加，可獲得白光LED，也就是RGB白光LED的原理。但這種方法目前并不是主流的白光技術(shù)。第二種方法:1996年，日亞公司將YAG(Ce3+:YAG)黃色熒光粉覆蓋在藍(lán)光芯片之上，熒光粉被藍(lán)光激發(fā)，發(fā)出黃光，藍(lán)光與黃光的合適疊加產(chǎn)生白光。第三種方法：使用紫外LED激光覆蓋在其上的RGB熒光粉，產(chǎn)生白光，與傳統(tǒng)熒光燈的機(jī)理相同。但局限于紫外LED的波長(zhǎng)與功率。LuminescencePhosphorescence白光LED3種不同色溫的白光:

4000-4500K,白熾光或暖白

5000-6500K,純白

7000-8000K,冷白GaNorInGaNLEDCe:YAG各種照明光源演化流明效率3種傳統(tǒng)技術(shù):火白熾燈熒光燈&高壓氣體放電

油燈LED的應(yīng)用領(lǐng)域而景觀照明LED顯示屏汽車(chē)組合燈小屏幕LCD背光大屏幕LCD背光交通信號(hào)燈戶(hù)外道路照明室內(nèi)照明LED器件制作過(guò)程襯底材料生長(zhǎng)或購(gòu)買(mǎi)襯底LED結(jié)構(gòu)MOCVD生長(zhǎng)芯片加工芯片切割器件封裝Sapphire藍(lán)寶石2-inch17外延工藝簡(jiǎn)介藍(lán)寶石襯底棒藍(lán)寶石襯底外延片MOCVD設(shè)備MOCVD是金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀芯片工藝簡(jiǎn)介光刻電路合金爐芯片測(cè)試芯片圖案臺(tái)灣晶元芯片美國(guó)CREE芯片臺(tái)灣光磊芯片德國(guó)歐司朗芯片韓國(guó)Optoway芯片香港晶科芯片封裝工藝簡(jiǎn)介L(zhǎng)ED封裝工藝自動(dòng)固晶機(jī)自動(dòng)焊線(xiàn)機(jī)LED應(yīng)用技術(shù)簡(jiǎn)介25~35%光能量65~75%熱能量散熱LED特點(diǎn)-發(fā)展速度快汽車(chē)前照明大燈價(jià)格性能通用替換光源的方向，必須采用新工藝、新材料等手段降低成本，擴(kuò)大市場(chǎng)使用率球泡由于LED的光學(xué)透鏡可以有效控制每一根光線(xiàn)，達(dá)到傳統(tǒng)光源不可能實(shí)現(xiàn)的配光效果LED發(fā)展也遵循摩爾定律，LED的光通量以每10年20倍的速度上升，同時(shí)每流明單價(jià)以每10年10倍的速度迅速下降。在過(guò)去的40年間，基本按此發(fā)展。近年來(lái)白光的快速發(fā)展甚至超出了摩爾定律速度。即光效每年增長(zhǎng)40%，價(jià)格每年降低20%。LED特點(diǎn)-光效高白熾燈光效9Lm/W節(jié)能燈光效60Lm/W日光燈光效90Lm/W鹵素?zé)艄庑?0Lm/W鈉燈光效120Lm/WLED光效130Lm/W目前LED的光效已經(jīng)超越傳統(tǒng)電光源鈉燈的光效，LED的節(jié)能效果非常明顯。LED特點(diǎn)-單方向性傳統(tǒng)光源360度發(fā)光，配光需反射罩反射經(jīng)反射罩反射被損耗形成截光光源時(shí)，大部分LED發(fā)射的光線(xiàn)不需要經(jīng)過(guò)反射壁反射直接出射；高壓鈉燈燈具效率一般在70%左右,而LED道路照明燈具效率可達(dá)到80%以上截光/半截光型型燈具比較LED特點(diǎn)-長(zhǎng)壽命白熾燈壽命效1000小時(shí)節(jié)能燈壽命6000小時(shí)日光燈壽命8000小時(shí)鹵素?zé)魤勖?000小時(shí)鈉燈壽命25000小時(shí)LED壽命10萬(wàn)小時(shí)目前LED的壽命已經(jīng)達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)，超越了所有傳統(tǒng)電光源的壽命，使用一只好的LED燈，可以點(diǎn)亮一生！長(zhǎng)壽命，減少了燈具的維護(hù)LED特點(diǎn)-環(huán)保無(wú)鉛UV不含紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)，不會(huì)對(duì)被照物損壞不含重金屬含汞金屬含汞金屬含汞金屬所有的傳統(tǒng)電光源發(fā)光中均含有紫外線(xiàn)LED照明燈具環(huán)保效益更佳，光譜中沒(méi)有紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)，既沒(méi)有熱量，也沒(méi)有輻射，而且廢棄物可回收，沒(méi)有污染不含汞元素，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。LED：低環(huán)境污染的光源LED不含汞、鉛等任何有毒性污染物質(zhì)LED光線(xiàn)為單色光，沒(méi)有紫外紅外成分，無(wú)紫外線(xiàn)、紅外線(xiàn)的污染和損傷光源種類(lèi)單位照度的相對(duì)損傷系數(shù)（%）晴天的天空光100多云的天空光31.7日光色的熒光燈6.3白色熒光燈4.6暖白色熒光燈4.5濾紫外線(xiàn)的熒光燈3.0白熾燈5.1LED0用LED照明的展品固態(tài)照明優(yōu)勢(shì)減少熱產(chǎn)生減少能耗長(zhǎng)壽命

光污染?

照明消耗了全世界19%的能源，25%的全球電量。使用LED所減少的能量可以有效的減少CO2的排放，以致于對(duì)全球氣溫的變化帶來(lái)有益的影響。

LED的使用：減少CO2排放量21世紀(jì)的巨大挑戰(zhàn)能源消耗石油核能，風(fēng)能和太陽(yáng)能2.氣候變化全球變溫兩極冰融化新的冰河時(shí)代的可能兩者是相連的意識(shí)到問(wèn)題的嚴(yán)重性大力度減少碳?xì)浠衔锏氖褂煤蛯?duì)森林的破壞京都協(xié)議（kyotoprotocol）LED：高色彩表現(xiàn)力Cree的LED涵蓋了六種不同波長(zhǎng)范圍的顏色由六種顏色的LED組合出的色彩表現(xiàn)范圍比色域最高的傳統(tǒng)光源——光色域緊致熒光燈（Hi-colorCCFL）高出了14個(gè)百分點(diǎn)，甚至比NTSC（美國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)）的標(biāo)準(zhǔn)色域還寬！其他特性對(duì)比匯總LED低壓低電流工作，與光伏電池工作方式匹配固體器件，耐振動(dòng)沖擊超強(qiáng)光源響應(yīng)速度超快（微秒級(jí)），光輸出隨電流線(xiàn)性變化，光輸出可以從0到100％任意連續(xù)調(diào)節(jié)傳統(tǒng)光源市電工作，須防觸電氣體放電燈和熱輻射發(fā)光燈具均只能輕微碰撞光源響應(yīng)速度慢，不是需要熱啟動(dòng)就是需要逐次放電啟動(dòng)。光輸出隨電流非線(xiàn)性變化，且光通量調(diào)節(jié)范圍有限道路照明LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

LED走向千家萬(wàn)戶(hù)的普通照明從路燈開(kāi)始

公共照明商業(yè)樓宇工業(yè)廠房照明城鄉(xiāng)住宅戶(hù)內(nèi)照明技術(shù)趨勢(shì)——封裝器件的小型化節(jié)約材料便于集成和自動(dòng)化生產(chǎn)節(jié)省空間，為結(jié)構(gòu)散熱和造型設(shè)計(jì)留下空間原有光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)未來(lái)光學(xué)系統(tǒng)：一次封裝設(shè)計(jì)小型化是光學(xué)系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)！LED封裝產(chǎn)品發(fā)展路線(xiàn)圖最新發(fā)展趨勢(shì)：CSP封裝結(jié)構(gòu)CSP技術(shù)基于倒裝結(jié)構(gòu)的LED芯片技術(shù)倒裝芯片未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)LED目前三種主要應(yīng)用領(lǐng)域LED色彩豐富色飽和度高更高的光能利用率色彩變換反應(yīng)快更高光源光效光源小，超薄機(jī)身背光源（替換:冷陰極熒光燈）道路照明（替換

；高壓鈉燈）高光效高光能利用率長(zhǎng)壽命綠色照明室內(nèi)照明（替換：白熾燈，熒光燈）高光效高光能利用率長(zhǎng)壽命綠色安全LED背光源模組應(yīng)用LEDVSCCFL低功耗；環(huán)保；更寬色域范圍響應(yīng)時(shí)間快；低壓驅(qū)動(dòng)；可實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制光源器件小，可實(shí)現(xiàn)超薄高功耗；含汞；相對(duì)窄的色域范圍響應(yīng)時(shí)間慢：導(dǎo)致出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象；需要加升壓電路；難以實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制LED背光源在10寸以上液晶顯示的占有率

Source:Q2’10QuarterlyLEDBacklightReportfromDisplaysearchLED背光源未來(lái)幾年必將全面取代CCFL背光源！LED背光源技術(shù)發(fā)展階段“體耦合”形式6’~10’背光顯示邊發(fā)射LED+空腔+導(dǎo)光板37’以下背光源直下式LED背光源：三色LED+導(dǎo)光管+導(dǎo)光板21’以下背光源側(cè)入式LED背光源：40’以上大尺寸平板電視背光源目前主要的背光源形式按光源顏色分白光RGB按光源位置分側(cè)入式更薄，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單少用直下式較厚，支持動(dòng)態(tài)背光較厚，支持動(dòng)態(tài)背光，高色彩表現(xiàn)力，高對(duì)比度主要的大尺寸背光源形式——側(cè)入式反射膜LED網(wǎng)點(diǎn)導(dǎo)光板擴(kuò)散膜1增亮膜（橫向）擴(kuò)散膜212增亮膜（縱向）導(dǎo)光板與網(wǎng)點(diǎn)：使光線(xiàn)充分混合，并改變?cè)瓉?lái)的傳播方向擴(kuò)散膜1：霧度高，使向上出射的光擴(kuò)散；增亮膜：使光線(xiàn)向前方會(huì)聚，提高屏前方亮度；擴(kuò)散膜2：主要起保護(hù)增亮膜作用。關(guān)鍵點(diǎn)：導(dǎo)光板的網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要的大尺寸背光源形式——直下式反射板擴(kuò)散板增亮膜（橫向）增亮膜（縱向）擴(kuò)散膜反射板：把向后傳播的光反射向前；擴(kuò)散板：使光源發(fā)出的光擴(kuò)散，支撐上面膜片增亮膜（橫向）：使橫向的光向前方匯聚；擴(kuò)散膜：主要起保護(hù)增亮膜作用；關(guān)鍵點(diǎn)：擴(kuò)散板與光源的距離各大公司主要采用的技術(shù)路線(xiàn)白光RGB側(cè)入式三星、sony少用直下式夏普、海信、東芝價(jià)格高而少采用不采用直下式RGB方案原因：價(jià)格高RGB三種LED衰減不一致造成光色一致性偏差大屏幕背光源的發(fā)展趨勢(shì)側(cè)入式：多側(cè)入光雙側(cè)入光單側(cè)入光超薄設(shè)計(jì)Vs.區(qū)域控制目前LED電視商用導(dǎo)光板厚度已減至3mm超薄設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制Whatisnext?側(cè)入式+直下式=側(cè)入直下式！價(jià)格實(shí)惠超薄外觀高色域節(jié)能環(huán)保實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)區(qū)域控制未來(lái)背光形態(tài)趨勢(shì)——模塊化拼裝只有將背光板切分小型模塊，才能同時(shí)實(shí)現(xiàn)超薄設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)區(qū)域控制的“側(cè)入背光”功能需克服挑戰(zhàn)：各模塊連接的黑縫的消除LED道路照明：從小功率LED到大功率LEDLED道路照明：從無(wú)配光到蝙蝠翼配光LED道路照明：從照度均勻到亮度均勻最大光強(qiáng)角度從60度左右增加到67度以上，從而達(dá)到了道路的亮度均勻性和縱向均勻性要求LED道路照明：從一體式燈具到模塊化燈具模塊化燈具核心優(yōu)勢(shì)：制造成本優(yōu)勢(shì)維護(hù)優(yōu)勢(shì)易標(biāo)準(zhǔn)化可靠性?xún)?yōu)勢(shì)一體式燈具模塊化燈具室內(nèi)照明的應(yīng)用領(lǐng)域商業(yè)辦公照明商場(chǎng)照明寫(xiě)字樓照明工礦企業(yè)照明車(chē)間照明倉(cāng)儲(chǔ)照明普通照明家居照明家居照明用于室內(nèi)照明的主要燈具形態(tài)球泡燈射燈代替25W、40W、60W白熾燈泡代替MR16等鹵素?zé)?，代替?jié)能燈、金鹵燈筒燈面光源代替原節(jié)能燈的吸頂燈日光燈管代替T8及T5熒光燈一般傳統(tǒng)光源的燈具光輸出比（燈具出射光通量與光源光通量的比值）為70％，而LED燈具可達(dá)到90％LED光效優(yōu)勢(shì)——高光能利用率傳統(tǒng)光源發(fā)光形式LED發(fā)光形式LED形成截光/半截光光源時(shí)，大部分光線(xiàn)不需要經(jīng)過(guò)反射壁反射直接出射燈具效率VS眩光、均勻度要求眩光產(chǎn)生的原因：LED高亮度眩光解決方法：利用混光機(jī)制，將LED點(diǎn)光源擴(kuò)展為面光源出射LED：點(diǎn)光源，需設(shè)法將光充分?jǐn)U散出射LED：亮度集中，眩光大將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)化為面光源出射將光源充分?jǐn)U展，降低光出射度代價(jià)：降低LED燈具的燈具效率提高亮度均勻度眩光控制無(wú)混光設(shè)計(jì)防眩光設(shè)計(jì)亮度均勻設(shè)計(jì)58紫外LED的分類(lèi)LED前沿應(yīng)用：320-390nm(UVA),375-415nm(UVA2),280-320nm(UVB)250-260nm(UVC),395-445nm(UVV)120100806040200200 300 400 500 600波長(zhǎng)(nm)相對(duì)強(qiáng)度(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nm高強(qiáng)度汞燈的發(fā)射光譜汞燈與LED光譜比較紫外LED的應(yīng)用LuminusDevices(390nm)SETI(240–400nm)Enfis(395nmmodule)Nichia(365nm)LedEngin(365nm)主要應(yīng)用：UV噴墨打印行業(yè)62主要應(yīng)用：UV曝光機(jī)行業(yè)主要應(yīng)用：UV印刷行業(yè)主要應(yīng)用：數(shù)字曝光行業(yè)數(shù)字曝光系統(tǒng)解決方案工業(yè)-3D打印工業(yè)-PCB/FPD平版印刷工業(yè)-商業(yè)印刷(CTP)DLP是一項(xiàng)可編程的光控技術(shù)，用于感光材料的曝光。PCB平版印刷、工業(yè)印刷和3D打印（累積制造）等許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域都采用了感光材料和曝光系?？梢?jiàn)光成像通信是新崛起的研究領(lǐng)域2006年加拿大麥克馬斯特大學(xué)的SteveHranilovic等人提出的可見(jiàn)光成像技術(shù)2011年美國(guó)科學(xué)家AshwinAshok等人提出視覺(jué)MIMO的概念,進(jìn)一步將可見(jiàn)光發(fā)射擴(kuò)展為發(fā)光二極管（LED）陣列，液晶或等離子顯示屏的像素陣列，甚至包括投影儀的數(shù)字微鏡反射裝置國(guó)際多個(gè)研究組織對(duì)視覺(jué)成像陣列分集、復(fù)用、傳輸、通信定位等基礎(chǔ)原理和技術(shù)開(kāi)展研究?？梢?jiàn)光成像通信作為一個(gè)新的研究領(lǐng)域正在興起。65高速可見(jiàn)光通信系統(tǒng)架構(gòu)66可見(jiàn)光傳輸LEDPINTxModuleRxModuleLED發(fā)射光源可見(jiàn)光接收ADADDemodulatorDecoderDataBasebandQIPhase編碼調(diào)制預(yù)均衡解碼解調(diào)后均衡

LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)由發(fā)射和接收2部分構(gòu)成

發(fā)射部分包括電學(xué)和光學(xué)部分：電學(xué)：LED驅(qū)動(dòng)電路，電信號(hào)處理(編碼，調(diào)制，預(yù)均衡),光學(xué)：LED芯片，發(fā)射光學(xué)天線(xiàn)

接收部分包括電學(xué)和光學(xué)部分：光學(xué)：接收光學(xué)天線(xiàn)，探測(cè)器芯片電學(xué)：接收信號(hào)處理(解碼，解調(diào)，后均衡)可見(jiàn)光通信的優(yōu)勢(shì)67白光對(duì)人眼安全；無(wú)電磁污染，可以應(yīng)用在電磁敏感環(huán)境(飛機(jī)、醫(yī)院、工業(yè)控制)；可見(jiàn)光通信兼具照明、通信和控制定位等功能，符合國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略；頻譜無(wú)需授權(quán)即可使用；可見(jiàn)光通信適合信息安全領(lǐng)域應(yīng)用。載頻帶寬速率LED可見(jiàn)光400-800THz90M/3G3.75G(10G)b/sWIFI2.4GHz,5GHz

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