半导体照明LED及其应用产业化.doc

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1、半导体照明LED及其应用产业化l半导体照明LED技术原理1前言　　发光二极管(Light-EmittingDiode，LED)是可以直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低、耗电量小、响应时间短、光色纯、结构牢固、抗冲击、耐振动、性能稳定可靠、重量轻、体积小等一系列特性。近年来，LED发展突飞猛进。其中基于氮化镓GaN材料的高亮度功率型半导体照明是化合物半导体乃至整个光电子和半导体产业界的研发热点，发展前景极其广阔。与传统照明技术相比，这种新型光源具有高效节能、长寿命、小体积、易维护、环保、安全

2、等优势，被公认为是极具发展前途的照明光源。随着北京市各项奥运工程的深入开展，新一代城市景观照明灯、大屏幕全彩显示屏、户内外公共场所信息指示牌等众多应用将进一步加大对高亮度半导体照明光源的需求量，LED在民用照明领域内的应用也将进一步得到推广。　　2国内外研发进展　　在高亮度及功率型LED研发方面居于国际先进水平的公司主要分布在美国、日本、欧洲和韩国，代表性的公司有：美国的Lumileds，Cree，Agilent公司，日本的Nichia，ToyoTaGosei公司，欧洲的Osram，Philips公司等。这些跨

3、国大公司多有原创性的专利，引领技术潮流，占领绝大多数的市场份额。台湾的一些光电企业，如AET，Arima，Epistar，Epitech等也起步较早，在下游工艺和封装以及上游材料外延方面具备了若干自主知识产权，也占有一定的市场份额。最近1—2年内，韩国LG．Innotech，Samsung,Epiplus，Epivalley等公司的相关技术优势更加突出。我国在功率型LED芯片，特别是GaN基高亮度蓝绿色、紫色管芯芯片及半导体白光照明灯具方面的研究正在迅速发展。代表性的企业主要有：方大国科、华光、蓝宝、路美、Po

4、dium、厦门三安、上海蓝光等。　　在传统的蓝绿色LED市场中，此种LED在我国特别是珠江三角洲地区有大量的封装厂和产品销售，但是芯片大多由台湾和韩国进口。由于该类低价芯片一般为功率水平较低的低档产(70mW电功率输入下，蓝绿光的发光功率为1～3mW)，在车载仪表显示、高品质大屏幕应用等方面不具有竞争力。在字串5各种LED照明领域，其产业链正处于初步发展的阶段。世界各国、各地区的生产厂商均在加大研发力度。而我国在该领域则刚刚起步，面向半导体照明的大功率管芯产品几乎还是空白。　　3LED技术原理　　组成物质的基本

5、粒子、原子和电子在电场的作用下会发生能态跃迁，当它们从高能态回到低能态时，多余的能量会以光的形式释放出来，产生电致发光的现象。20世纪20年代，法国科学家0·W·LOSSOW就发现了碳化硅材料的电致发光现象。直到20世纪40年代，随着材料与器件工艺的发展，才研制成功砷磷镓发光二极管。LED的核心发光部分是由P型和n型半导体构成的p-n结管芯，当注入p-n结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光、紫外光或近红外光。到上世纪90年代，采用双异质结与多量子阱结构，提高了发光二极管的亮度，之后，又通过MOCVD

6、技术在蓝宝石与碳化硅的衬底上成功生长了具有器件结构的氮化镓基的发光二极管外延片，制造出亮度很高的蓝绿光发光二极管。　　实际上，LED产生的所有光并不是都可以释放出来的，这主要取决于半导体材料的质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料。如常规字串8中φ5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射

7、。顶部包封的环氧树脂做成一定形状。由于管芯折射率与环氧树脂折射率相差较大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分在管芯内部经多次反射而被吸收，导致光的过多损失。　　选择不同折射率的封装材料及封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到LED的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面形，其相应视角将增大。　　一般情况下，LED的发光波长随着温度变化为0.2～0.3n

8、m/℃，光谱宽度也随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经p-n结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应减少1％左右。目前，很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级字串4，需要改进封装结构，借助全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。　　4LED关键技术问题　　4.1光谱特性　　要作为照明光源，半