LED的发展现状

1.半导体照明技术发展的三个阶：:第一阶段:半导体照明的诞生阶段。1907年He叮yJosephRound第一次在碳化硅中发现了电致发光现象。当时观察到的是黄光，但是由于亮度太低，不适合实际应用，因此对它的研究并没有继续下去。20世纪20年代后期BernhardGudden和Robertwi比ard从锌硫化物和铜中提炼出能发光的黄磷，但是同样因为发光的亮度低而停止了研究。到20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半一导体砷化稼发明了第一个具有现代意义的LED，并于60年代面世”’。第二阶段:半导体照明的发展阶段。早期的试验需将LED放置在液化氮里，这时的LED离真正进入实用还有比较长的距离。第一个商用LED只能发出不可见的红外光，但也被迅速应用于光电领域。直到20世纪6。年代末，第一个可见的红光LED才真正诞生，它是在砷化稼基体上使用磷化物设计而成的。此后人们开始探索如何使LED发出的红光更亮，发光效率更高。这时磷化稼走入了人们的视线，它的出现不仅使LED发出的红光更亮，发光效率更高，而且还能让LED产生橙光，到了70年代中期，磷化稼已经能发出灰白绿光，假如采用双层磷化稼芯片就能发出黄光。与此同时，俄国科学家利用金刚砂设计出黄光LED，尽管它没有欧洲的LED那么高效，但在70年代末，它就能发出纯绿色的光，使得LED又多了一种基色。80年代早期到中期，借助砷化稼、磷化铝的研究成果，第一代高亮度LED相继诞生，先是红色，然后是黄色，最后是绿色.20世纪90年代早期，借助锢铝磷化稼的研究成果，先后诞生了桔红光、橙光、黄光、绿光和蓝光LED，至此三种基色的LED均已出现，只是亮度还未达到全面进入照明领域的标准。到了20世纪90年代中期，高亮度的氮化稼LED出现了，随即人们又设计出能产生高亮度的绿光和蓝光LED，可见光领域的三基色均有高亮度光源可供应用，截至2010年，LED的发光效率已经达到了140lm/w，为LED全面进军照明市场做好了准备。第三阶段：半导体照明成为照明领域的未来。LED凭借其体积小，色彩多，节能环保，使用寿命长，亮度高，热量低，坚固耐用等优点，已经进入了整个照明领域的各个部分，并逐渐取代原有的照明产品，一块巨大的蛋糕展示在各国政府面前，世界主要国家纷纷推出自己的半导体照明计划.美国能源部设立了由13个国家重点实验室、公司和大学参与的“半导体照明国家研究项目”，计划用10年时间，耗资5亿美元开发半导体照明，目标是到2012年LED的发光效率达到150lm/w，到2025年半导体照明光源的使用将使照明用电减少一半。从2000年到2020年，累计的节能潜力可以达到减少2.58亿吨碳温室气体的排出，少建133座1000Mw的新电站，累计节约财政开支1150亿美元，形成一个新的每年产值超过5的亿美元的光源产业，同时带来上百万个高质量的工作机会。日本投资50亿日元推行‘。21世纪光计划”，目标是截止到2020年，白色光产品以及灯泡色产品的发光效率均达到150lm/w。欧盟方面，英国巴思大学研制成功一种能够发出人造太阳光的发光二极管，不仅能够全天24小时为住家与办公室带来自然光，而且可以为能源消耗节约数10亿英镑的开支。英国剑桥大学科学家汉弗莱斯教授研制的新型半导体照明灯，可把二氧化碳的排放量减少15%。世界三大照明工业巨头通用电气、飞利浦、欧司朗集团均已经启动大规模商用开发计划，纷纷与半导体公司合作或进行并购，成立半导体照明企业，并提出使半导体灯发光效率再提高8倍，价格降低”%l从’5，’6，’7，。2003年，我国提出了实施“国家半浙江大学硕士学位论文导体照明工程”计划，2006年又紧急启动了国家“半导体照明工程产业化技术开发”重大项目，目的是打造一批半导体照明特色产业基地，形成我国自己的半导体照明产业.目前这两个项目的实施均已取得一定的成果，全国十几个省市已建立起各自的国家半导体照明工程产业基地。其中广东省已成为全国LED照明产业重要生产基地和贸易中心.根据有关数据统计，2010年，广东的LED封装产量约占全国的7004，约占全世界的5006队’9，’01。由于世界各国对半导体照明的重视，2010年全球LED市场已经呈现迅猛发展态势，如图1.1所示由图1.1可见，按目前的发展趋势，LED在不久的将来必然成为照明领域主要的力量。综上所述，随着经济的发展，社会的进步，人们对绿色照明的要求越来越高，因此世界几个主要的国家都投入了大量的人力物力来发展半导体照明行业，并取得了可喜的成绩。在可预见的未来，这个发展还将继续，而且很有可能步伐更快，因此，半导体照明是照明领域未来的趋势，这一点已毋庸置疑。1.11.2LED发展的历史和现状1.2.1LED的发展历程，根据LED发光材料体系、主要制作技术、产品性能、应用领域等方面，可以将LED的发展历史分为四个阶段:第一个阶段是从1962LED实现商品化到上世纪80年代初的近20年时间，这段时间的发展奠定了普亮LED的技术市场基础，使得LED在状态指示领域得到广泛应用。第二个阶段从上世纪80年代初到90年代初，这个阶段红色和红外高亮度LED研制取得突破，外量子效率达到8%，流明效率又提高了一个数量级，接近10lm/W。随着光效的提高，LED的应用范围也得到了扩展，在户内显示屏等领域开始应用，但是因为GaAlAs三元系材料光衰比较严重，在户外大屏幕和交通信号灯方面的应用受到限制。第三个阶段主要是上个世纪最后十年，1991年日本东芝公司和美国HP公司分别研制成功GaAlInP红、橙超高亮度LED,1992年上述两家公司又分别研制出GaAlInP黄色(590nm)以及更短一些波长(573nm，黄绿色)。1993年日本Nichia公司NaKamuraS利用GaN基材料和双气流MOCVD技术，成功开发出蓝光(450nm)LED，很快又推出了商品化的绿光(505nm)LED,LED实现了全彩化，超高亮度化。这十年是LED产业和技术最具有活力的十年，新的材料体系、新的生长技术、新的器件结构给LED产业带来了无限生机和活力，经过这十年的发展，LED的应用领域有状态显示，户内显示扩展到交通信号灯、户外全彩大屏幕显示等领域，并且开始应用于装饰照明、汽车照明、仪器仪表照明等特种照明领域，目前，正在经历LED技术发展的第四个阶段，这一阶段开始于上世纪末，发展的目标是研究高效率、全固态、环保的LED光源，推进LED在照明领域的应用。这一阶段的研究工作除了继续提高LED发光效率之外，还需要解决荧光粉的匹配(白光)，大功率LED芯片生长与制备、新型衬底研发、新的器件结构、尤其要解决功率型LED的散热问题。、2.LED照明现状目前,LED已在很多领域中发挥着重要作用。例如手机中的白色LED闪光灯,高端移动电话都内置分辨率达兆像素的照相机,为了帮助用户在较黑暗的环境中拍照,一般手机都配置了闪光灯。静止数码相机中使用的闪光灯难以被置入移动电话中。采用白光LED作为移动电话中的闪光灯,既节约成本,又节省空间。LED在建筑物方面的照明应用也是比较重要的一个亮点。多姿多彩的LED灯,不但能满足几乎所有的照明要求,而且还能给建筑物装点出不同的美感。全世界有近200家公司和300多所大学和研究机构从事氮化镓基LED的材料生产、器件制作工艺和相关设备制造的研究和开发工作。居于领先水平的公司主要有日本的日亚、ToyotaGosei、索尼、三洋,美国的Cree、Lumileds,欧洲的欧斯朗、飞利浦等。这些跨国大公司多有原创性的专利、引领技术潮流,占有绝大多数的市场份额。其中日本的日亚公司是全世界研究和生产LED的“顶尖”单位,十余年来其氮化镓基LED的研究和开发水平一直领先其他单位2~3年。日亚公司在生产白色LED的荧光粉材料方面拥有多项专利,在InGaN白色LED芯片供应上一直占有统治地位,但专利技术一直控制在内部使用。Lumileds公司业已开发出最大发光功率达120lm的白光LED,美国加州大学固态发光及显示中心计划在2007年前开发出效率为200lm/W的白光LED。面对半导体照明将要形成的市场,世界上各半导体公司和照明公司早已垂涎欲滴。目前,世界上掌握半导体照明技术的半导体公司,都已经纷纷和老牌灯泡制造商结盟,如美国HP联合了日本Nichia和德国西门子、美国Cree、西门子和德国欧斯朗联合;日本的东芝和本田联合等。通用电气、飞利浦、欧斯朗等世界三大照明工业巨头,全都启动大规模商用开发计划,与半导体公司合作或并购,成立半导体照明企业。他们还提出,要在2010年前使半导体灯的发光效率再提高8倍,价格降低到现价的1/100。中国大陆有10余家大学、研究机构及公司从事大功率LED的研究和开发,同时在国家产业扶持、台商加入及国际巨头三方推进下,LED产业在我国已具相当规模。至2004年底全国已有LED各类企业约3500余家,从业人员50余万人,LED器件产量400亿只/年以上,已初步形成从外延片生产、芯片制备到器件封装集成应用的比较完整的产业链。生产企业重点分布在长江三角、珠江三角、江西、福建及环渤海湾等地区。根据ITIS统计,去年中国大陆企业生产的LED产值约8亿美元,中国台湾LED产值约300亿美元。在技术研发水平上,国内的蓝光芯片指标已达到国外中档产品水平,个别研发机构的技术水平已达世界先进水平。LED封装技术与国外差距较小,在国际市场上已占有相当大的份额,有可能取得关键技术突破,形成自主知识产权。另外,位于产业链下游的芯片封装与照明应用产业,既是高新技术产业,又是劳动密集型产业,我国具有廉价劳动力优势,因此有能力承接国际半导体照明产业的转移。据此,不少业内人士认为,中国有可能成为世界上最大的LED生产基地之一。3.LED灯的国内外研究现状1.4面进入市场。日本在功率型高亮度LED及其外延片、芯片的研制与产业化开发方面处于国际领先水平，日亚化学掌握大量有关蓝光/白光LED的专利。日亚化学已与美国发光二极管厂商Lumileds达成协议，双方将签订LED相关专利技术的交叉授权合约，涵盖的对象包括两家公司拥有的所有LED相关专利技术。德国OSRAM公司号称刚刚建立了世界上最先进的芯片生产线，主要用来生产LED。由于OSRAM是世界上第二大灯泡生产厂商，因此用LED制成新型的节能长寿灯是他们的一个新目标。韩国近几年对高亮度LED的需求增温，EPIPLUS、与NeosemiTech等韩国化合物半导体公司竞相扩充外延芯片的产能。台湾通过引进美国和日本的技术，在外延片及芯片生产、器件封装、应用产品开发等方面得到迅速的发展，成为世界上最大的LED生产基地。表1.2是国外具有超高亮度LED领先水平的厂家。表1.2国外具有超高亮度LED领先水平的厂家公司名称主要内容日本Nichia日亚公司GaN基高端蓝、绿、紫及紫外LED外延、芯片白光应用美国Cree公司GaN基LED的外延、芯片，蓝、绿、紫、紫外光LED领先美国Lumileds公司超高亮度白光技术、功率LED封装技术国际领先美国Gelcore公司重点白光技术及应用，LED灯具设计世界领先德国Osram公司欧洲最大的超高亮度LED厂家，其产品世界领先我国LED产业从上世纪七十年代开始，一直紧跟着世界LED产业的发展步伐[9]。特别是近几年来，由于国家的重视，863光电子项目的投入，大学、科研机构加大研发力度，各地方政府及企业投入增加，已具有一定的规模，并形成LED的产业链。虽然与国外产品相比存在较大技术差距，但有些成果取得突破性的进展。如清华大学提出新型有源区多量子阱结构，是有自主产权的，已做出稳定的芯片，其发光功率可达6mW；北京大学就功率LED芯片，如何提高内量子效率、外量子效率、降低热阻等方面取得可喜成果；另外，这些研究机构还解决GaN基蓝光波长漂移问题、P区欧姆接触问题，采取激光剥离23AlO衬底，采用ITO透明电极，提高出光效率，提高超高亮度LED的抗光衰能力等等，同时做出GaN基发紫光和紫外光芯片，3多家研究单位均做出1W的功率LED芯片和器件。2.在早期，由于L