發(fā)光二極管(LED)

半導(dǎo)體的發(fā)展可劃分為以下三個(gè)階段：

{dy}代半導(dǎo)體,1950年代：當(dāng)時(shí)是以硅材料為主,其特征是頻率低、非直接帶隙,無(wú)發(fā)光器件；

第二代半導(dǎo)體,1970年代：出現(xiàn)了GaAs基、InP基黃、紅光發(fā)光管及激光器,促進(jìn)了光電子及jy微電子(1-300GHz)的發(fā)展。在光纖通訊、無(wú)線(xiàn)通訊等領(lǐng)域獲得了發(fā)展應(yīng)用；

第三代半導(dǎo)體,1990年代：GaN基半導(dǎo)體的誕生,其特征是 寬帶隙3－6eV,發(fā)射紫外、藍(lán)光。由于紫外、藍(lán)光LED的出現(xiàn),使LED白光照明成為可能,同時(shí)、在大容量存儲(chǔ)方面也得到了發(fā)展應(yīng)用。

1964年,世界上{dy}只紅色Ⅲ-Ⅴ族GaAsP-LED誕生,這也就預(yù)示著固體發(fā)光時(shí)代的來(lái)臨。不久,橙色、黃色和黃綠色LED也相繼問(wèn)世,實(shí)現(xiàn)了在波長(zhǎng)940~540nm范圍內(nèi)發(fā)光的全固化。二十世紀(jì)七十年代,LED產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了蓬勃發(fā)展的春天,在大屏幕顯示、交通信號(hào)燈和儀器儀表指示等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并隨著家用電器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展LED進(jìn)入了人們的生活。但是實(shí)現(xiàn)全色顯示尚缺發(fā)藍(lán)光的LED,藍(lán)光的空缺一直是個(gè)障礙。

1994年,氮化鎵基藍(lán)、綠光AlGaInN-LED的出現(xiàn)了,這是LED發(fā)展史上的又一個(gè)里程碑,它使戶(hù)外全色顯示和半導(dǎo)體照明成為可能。

藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)是以第三代半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)為代表的藍(lán)色發(fā)光二極管。國(guó)內(nèi)外都對(duì)該領(lǐng)域投入了大量的研究,美國(guó)和日本現(xiàn)已掌握生產(chǎn)純藍(lán)和純綠光的氮化鎵基(GaN)材料的生長(zhǎng)工藝。我國(guó)已在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)出氮化鎵基(GaN)藍(lán)色發(fā)光材料,目前正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方面的研究。氮化鎵基固態(tài)光源是一個(gè)GaN-白光LED發(fā)光器件,具有全固體、冷光源、壽命長(zhǎng)、體積小、光效高、響應(yīng)速度快、耐候性好等優(yōu)點(diǎn)。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,正已引起科技界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注,成為半導(dǎo)體領(lǐng)域新崛起的研究熱點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)生長(zhǎng)點(diǎn)。

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,將取代白熾燈和日光燈成為照明市場(chǎng)的主導(dǎo),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。

氮化鎵基(GaN)材料特點(diǎn)以氮化鎵(GaN)為代表的III-V族寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料,內(nèi)、外量子效率高,具有高發(fā)光效率,高熱導(dǎo)率,耐高溫,抗輻射,耐酸堿,高強(qiáng)度和高硬度等特性,是世界目前{zxj}的半導(dǎo)體材料。

氮化鎵基(GaN)材料可制成高效藍(lán)、綠光發(fā)光二極管LED和激光二極管LD,并可延伸到白光LED,將替代人類(lèi)沿用至今的照明系統(tǒng)。氮化鎵基(GaN)藍(lán)光二極管還將帶來(lái)IT行業(yè)數(shù)字化存儲(chǔ)技術(shù)的革命。 是室外高亮度、高清晰度大屏幕全色顯示屏關(guān)鍵部件。華南師范大學(xué)以劉頌豪院士為首的研究開(kāi)發(fā)隊(duì)伍也正與企業(yè)合作開(kāi)發(fā)第三代半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)為代表的藍(lán)色發(fā)光二極管。

第三代半導(dǎo)體GaN基LED是一種耐高溫、高頻、大功率、抗輻照及抗腐蝕的光電子器件;其發(fā)展與光電子、微電子技術(shù)同步發(fā)展;目前該技術(shù)發(fā)展十分迅速,日趨成熟,而市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)力又十分大,它具有巨大發(fā)展空間;產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化速度亦非常快;其從低端產(chǎn)品不斷向gd產(chǎn)品發(fā)展;

GaN基半導(dǎo)體發(fā)展史

1969年：{dy}次外延GaN；

1969年：開(kāi)始用MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)GaN；

1971年：{dy}只GaN LED；

1986年：低本底濃度的GaN膜出現(xiàn)；

1989年：解決P－GaN 生長(zhǎng)；

1992年：日亞化學(xué) (Nichia) GaN LED歷史性突破；

1994年：GaN HEMT(High Electron Mobility Transistors)出現(xiàn)了高電子遷移率的藍(lán)光GaN基二極管。

由于GaN在高溫生長(zhǎng)時(shí)氮的離解壓很高,目前很難得到大尺寸的GaN體單晶材料,所以只能在其它襯底上進(jìn)行異質(zhì)外延生長(zhǎng)。在各種生長(zhǎng)技術(shù)中金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)和分子束外延技術(shù)(MBE)已經(jīng)成為制備GaN及其相關(guān)三元、四元合金薄膜的主流生長(zhǎng)技術(shù)。MOCVD方法的生長(zhǎng)速率適中,可以比較jq地控制膜厚,特別適合于LEDs和LDs的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。目前已經(jīng)成為使用最多,生長(zhǎng)材料和器件質(zhì)量{zg}的方法。美國(guó)的EMCORE和AIXTRON公司以及英國(guó)的Thomas Swan公司都已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于工業(yè)化生產(chǎn)的Ⅲ族氮化物MOCVD(LP-MOCVD)設(shè)備。 分子束外延(MBE)是一種用于單晶半導(dǎo)體、金屬和絕緣材料生長(zhǎng)的薄膜工藝。用這種工藝制備的薄層具有原子尺寸的精度,這是它的獨(dú)特特征。原子逐層沉積導(dǎo)致薄膜生長(zhǎng)。這些薄層結(jié)構(gòu)構(gòu)成了許多高性能半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。MBE現(xiàn)在是一種可進(jìn)行大批量生產(chǎn)的技術(shù)。多晶片、高產(chǎn)量的MBE系統(tǒng), Semicon V150系統(tǒng), 用計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)一次可以生長(zhǎng)四個(gè)6 英寸,九個(gè)4英寸或16個(gè)3英寸晶片。單機(jī)年產(chǎn)量可以超過(guò)一萬(wàn)片的6英寸晶片。

氮化鎵基藍(lán)光LED的出現(xiàn)使全色顯示成為可能。

全色LED顯示系統(tǒng)特點(diǎn)：

1、RGB 三色均有16 bit灰度級(jí)

2、支持標(biāo)準(zhǔn)的VGA、NTSC、PAL、SECAM 視頻系統(tǒng),類(lèi)似CRT動(dòng)態(tài)顯示信號(hào)輸入選擇：(1)TV、VCR、LD、DVD；(2)視頻相機(jī)、RS232、調(diào)制解調(diào)器；(3)MPEG系統(tǒng)；

3、通過(guò)自敏感系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)各種顏色亮度 1 ～ {bfb}；

4、具實(shí)時(shí)自檢系統(tǒng)；

5、具柔性抗GAMMA修正；

6、具光纖數(shù)據(jù)傳輸能力；

7、具遙控通訊與定時(shí)軟件；

8、水平廣視角,無(wú)透鏡可達(dá)170°；

9、屏幕尺寸可靈活設(shè)計(jì)；

10、實(shí)時(shí)60Hz圖象無(wú)閃爍處理器；

11、可在強(qiáng)陽(yáng)光、高溫環(huán)境下使用；

12、模塊化。易安裝,耐惡劣環(huán)境,恒流電源驅(qū)動(dòng)、低熱,高功率效率,256級(jí)亮度調(diào)節(jié),高精度CNC外罩設(shè)計(jì)。

目前,LED產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)集中在白光LED、藍(lán)、紫光LD以及大功率高亮度芯片。白光LED是繼白熾燈和日光燈之后的第三代電光源,是世界各地光源和燈具研究機(jī)構(gòu)競(jìng)相開(kāi)發(fā)、努力獲取的目標(biāo),是未來(lái)照明領(lǐng)域的明星行業(yè)。白光LED的能耗僅為白熾燈的1/8,熒光燈的1/2,節(jié)約能源,而其壽命可長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。白光LED的無(wú)汞化,易回收,益于環(huán)境保護(hù)。因此各國(guó)政府均大力扶持白光LED的發(fā)展。美、日、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家皆由政府成立專(zhuān)項(xiàng),積極推行如：日本的“21世紀(jì)的光照明”計(jì)劃,時(shí)間是從1998年~2002年,將耗費(fèi)50億日元推行半導(dǎo)體照明,目標(biāo)是在2006年用白光LED替代50%的傳統(tǒng)照明；美國(guó)的“國(guó)家半導(dǎo)體照明計(jì)劃”,時(shí)間是從2000年~2010年,計(jì)劃投資5億美元；歐盟的“彩虹計(jì)劃”,已在2000年7月啟動(dòng),通過(guò)歐共體的資助,推廣應(yīng)用白光LED。目前,世界上掌握LED技術(shù)的新興半導(dǎo)體企業(yè)紛紛和老牌照明燈制造商聯(lián)手,搶占這個(gè)未來(lái){zd0}的照明市場(chǎng)。

由于LED的節(jié)能特點(diǎn)，世界各國(guó)對(duì)LED的研發(fā)生產(chǎn)都極為重視。日本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)1998－2002年耗費(fèi)50億日元推行白光照明，預(yù)計(jì)2006年完成用白光LED照明替代50％的傳統(tǒng)照明，整個(gè)計(jì)劃的財(cái)政預(yù)算為60億日元。美國(guó)2000年制定的“下一代照明計(jì)劃”被列入了能源法案，計(jì)劃從2000－2010年，投資5億美元，用LED取代55%的白熾燈和熒光燈，預(yù)計(jì)到2025年，固態(tài)照明光源的使用將使照明用電減少一半，每年節(jié)電額達(dá)350億美元，形成一個(gè)每年產(chǎn)值超過(guò)500億美元的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)。

未來(lái)5年，我國(guó)也將把半導(dǎo)體照明作為一個(gè)重大工程進(jìn)行推動(dòng)；而科技部也已批準(zhǔn)上海、大連、南昌、廈門(mén)、深圳5地作為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)化基地。按這5大產(chǎn)業(yè)基地預(yù)計(jì)目標(biāo)，我們估計(jì)，到2010年，整個(gè)中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將超過(guò)1500億元。

我國(guó)在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域已具備一定技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。已經(jīng)初步形成從外延片生產(chǎn)、芯片制備、器件封裝集成應(yīng)用的比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈，現(xiàn)在全國(guó)從事半導(dǎo)體LED器件及照明系統(tǒng)生產(chǎn)的規(guī)模以上的企業(yè)有400多家，且產(chǎn)品封裝在國(guó)際市場(chǎng)上已占有一定的份額。另外，我國(guó)具有豐富的有色金屬資源，鎵、銦儲(chǔ)量豐富，占世界儲(chǔ)量的70%－80%，這使我國(guó)發(fā)展半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)具有資源上的優(yōu)勢(shì)。

據(jù)國(guó)家新材料行業(yè)生產(chǎn)力促進(jìn)中心提供的資料，我們整理的數(shù)據(jù)，目前，我國(guó)LED上游生產(chǎn)企業(yè)主要有深圳方大、廈門(mén)三安、上海藍(lán)光、大連路美、江西聯(lián)創(chuàng)、江西欣磊等；中游生產(chǎn)企業(yè)主要有深圳量子、河北鑫谷、寧波升普、杭州創(chuàng)元、杭州中宙、北京睿源等；下游生產(chǎn)企業(yè)主要有廈門(mén)華聯(lián)、佛山光電、寧波愛(ài)米達(dá)、天津天星等。通過(guò)啟動(dòng)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程，我國(guó)在兩年多時(shí)間內(nèi)取得了一系列技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化方面的突破。

首先，在功率型高亮度發(fā)光二極管芯片關(guān)鍵技術(shù)方面，實(shí)現(xiàn)了功率型芯片的從無(wú)到有，改變了芯片全部依賴(lài)進(jìn)口的不利局面，國(guó)產(chǎn)芯片目前占到國(guó)內(nèi)市場(chǎng)37%的份額。其次，功率型白光封裝也取得較大突破，基本達(dá)到國(guó)際產(chǎn)業(yè)化水平的40流明。此外，在半導(dǎo)體照明應(yīng)用產(chǎn)品的系統(tǒng)技術(shù)集成開(kāi)發(fā)方面有了較大進(jìn)展。新開(kāi)發(fā)的諸如功率型LED臺(tái)燈、汽車(chē)燈、功率型LED太陽(yáng)能庭院燈等百余種應(yīng)用產(chǎn)品，已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)并有部分產(chǎn)品出口。

中國(guó)LED 產(chǎn)業(yè)近年發(fā)展迅速，據(jù)2006年出版的《中國(guó)電子工業(yè)年鑒》統(tǒng)計(jì)，2006年全國(guó)LED 的產(chǎn)量約為300億只，比2005年約255億增加了約17.6%。2002年、2003年、2004年及2005年全中國(guó)LED 產(chǎn)量分別約為152億只、175億只、210億只及255億只，比前一年度分別上升約15%、12%及21.4%。

　　中國(guó)LED 產(chǎn)業(yè)在2006年繼續(xù)呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，產(chǎn)量占世界LED 總產(chǎn)量的12%。中國(guó)LED 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向是重點(diǎn)發(fā)展超高亮度的紅、橙、AlGaInP 材料和器件；藍(lán)光GaN 材料和器件及紅、綠、藍(lán)三原色全彩色顯示屏。

　　在「十一五」計(jì)劃（2006年至2010年）的{dy}年，光電半導(dǎo)體在應(yīng)用方面不斷取得突破，已經(jīng)成為一種蓬勃發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，LED 產(chǎn)業(yè)在2006年將有更突出的發(fā)展，預(yù)測(cè)「十一五」期間平均增長(zhǎng)約24%，2010年產(chǎn)量目標(biāo)約為800億只。

　　為了適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)LED 需求的快速增長(zhǎng)，中國(guó)已經(jīng)在2001年將LED 分類(lèi)為31項(xiàng)國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的電子產(chǎn)品之一和20種鼓勵(lì)外商投資的電子產(chǎn)品和技術(shù)之一，重點(diǎn)予以發(fā)展。

　　2006年度分別從LED 晶片、LED 器件及LED 應(yīng)用產(chǎn)品三方面發(fā)展看，LED晶片仍然主要靠進(jìn)口，增長(zhǎng)幅度約8%；LED 器件增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)比預(yù)測(cè)的要好，沒(méi)有回調(diào)且仍平穩(wěn)增長(zhǎng)，增幅約16%，生產(chǎn)主要是從后道封裝為主；就LED 應(yīng)用產(chǎn)品而言，LED 顯示屏特別是室外全彩屏、交通燈、汽車(chē)燈方面發(fā)展迅速，增幅約達(dá)35%。超高亮度白光LED晶片來(lái)源、封裝工藝技術(shù)、材料成本方面在2006年均有較大的突破，未來(lái)將yl照明領(lǐng)域從傳統(tǒng)方式向固體照明方式轉(zhuǎn)化。

LED歷史

自20世紀(jì)初期，科學(xué)家們就不斷尋找能夠發(fā)光的各種物質(zhì)。1907年，亨利•約瑟夫•讓德發(fā)現(xiàn)碳化硅（SiC）能夠發(fā)光。在接下來(lái)的50年中，不斷有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)能夠發(fā)光的化合物。到了20世紀(jì)50年代，隨著對(duì)砷化鎵（GaAs）研究的不斷深入，LED的發(fā)現(xiàn)終于水到渠成。1、貝爾實(shí)驗(yàn)室、惠普、IBM、孟山都及RCA等公司在20世紀(jì)60年代首先開(kāi)始了LED的研究。惠普和孟山都{zx0}在1968年推出了基于鎵砷磷的商用紅光LED。在70年代早期，隨著德州儀器、惠普和Sinclair等公司推出計(jì)算器和電子表等全新的產(chǎn)品，LED應(yīng)用暴增。其它諸如指示燈和字母數(shù)字顯示器等應(yīng)用很快成為L(zhǎng)ED的主流應(yīng)用，并延續(xù)至今。2、LED技術(shù)背景

顧名思義，LED就是會(huì)發(fā)光的二極管。二極管是最基本的半導(dǎo)體組件，其作用是在一定可控的范圍內(nèi)導(dǎo)電。最簡(jiǎn)單的二極管由電的不良導(dǎo)體構(gòu)成，并對(duì)其進(jìn)行改性（摻雜）以增加自由電子。高電子含量材料（稱(chēng)為N型材料）與低電子含量材料（稱(chēng)為P型材料）相連，為自由電子流動(dòng)建立了通路。這個(gè)連接被稱(chēng)為PN連接。 LED就是擁有PN連接的二極管半導(dǎo)體，在通電后釋放光子。該過(guò)程被稱(chēng)為注入發(fā)光，發(fā)生于電子從N型材料填充到P型材料低能量孔的過(guò)程中。高能電子進(jìn)入低能量孔時(shí)會(huì)釋放能量，產(chǎn)生光子。P型和N型材料層所使用的材料，以及兩者之間的間距決定了生成光線(xiàn)的波長(zhǎng)和能量水平。有多種材料可以用來(lái)生產(chǎn)LED，而目前比較普遍的應(yīng)用是砷化鋁鎵(AlGaAs)、lhl銦鎵(AlInGaP)和氮化銦鎵(InGaN)。lhl銦鎵一般用來(lái)產(chǎn)生紅光和黃光；而氮化銦鎵一般用來(lái)產(chǎn)生藍(lán)光和綠光——這些材料生成的光子都在可視光譜之內(nèi)。結(jié)合新的生產(chǎn)架構(gòu)，它們可以被做成極亮的LED，用于一般照明和汽車(chē)照明。一些架構(gòu)開(kāi)始應(yīng)用額外的磷化物以生成白光，憑借極低的能量消耗和更長(zhǎng)的壽命與普通白熾燈和熒光燈展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。

全球LED產(chǎn)量已達(dá)每月40億只左右，主要生產(chǎn)廠(chǎng)商集中在臺(tái)灣、日本和美國(guó)，而臺(tái)灣地區(qū)以占全球總產(chǎn)量50%的份額居于sw。多數(shù)廠(chǎng)家只是對(duì)LED晶粒進(jìn)行封裝，只有少數(shù)幾家有能力實(shí)際生產(chǎn)LED晶粒。圖1描述了LED市場(chǎng)中低亮度和高亮度LED各自所占的份額。

圖 1 -LED市場(chǎng)細(xì)分

LED技術(shù)突破近來(lái)晶粒材料和封裝生產(chǎn)方面的創(chuàng)新使LED亮度達(dá)到極高水平。基板使用了新的材料，提高了導(dǎo)熱性能，從而吸收更多的能量，發(fā)出更亮的光。亮度的提升帶來(lái)了新的LED應(yīng)用，如汽車(chē)照明、交通信號(hào)，以及{zx1}的電視顯示屏。圖2描述了新的架構(gòu)。

圖 2- 基本

LED構(gòu)造lhl銦鎵和氮化銦鎵生產(chǎn)水平的顯著提升使藍(lán)光和綠光的亮度分別得以提高，而其它顏色（如琥珀和青色）也隨即問(wèn)世。這些改進(jìn)使整個(gè)系統(tǒng)能以等同于利用普通燈泡技術(shù)的亮度忠實(shí)地再現(xiàn)色彩，且壽命更長(zhǎng)。其它的性能改進(jìn)包括系統(tǒng)層的特性，如瞬時(shí)顯像，無(wú)水銀，無(wú)色彩刷新偽像，動(dòng)態(tài)可調(diào)亮度，以及更寬的色域。圖3將LED和通用參考標(biāo)準(zhǔn) (Rec. 709)的色域范圍作了比較。

圖3 - LED色域

LED照明的色域非常寬（比高清電視的色彩標(biāo)準(zhǔn)[Rec. 709]寬40%），因而色彩的忠實(shí)度更高。對(duì)于壽命和色彩還原度都有極高要求的電視機(jī)產(chǎn)品而言，LED技術(shù)尤其具有吸引力。隨著LED技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，其對(duì)于電視機(jī)產(chǎn)業(yè)的影響也與日俱增。圖4描述了LED技術(shù)的演進(jìn)，以及未來(lái)幾年的亮度效率。