發(fā)光二極管(LED)

半導(dǎo)體的發(fā)展可劃分為以下三個階段：

{dy}代半導(dǎo)體,1950年代：當時是以硅材料為主,其特征是頻率低、非直接帶隙,無發(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,促進了光電子及jy微電子(1-300GHz)的發(fā)展。在光纖通訊、無線通訊等領(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、藍光。由于紫外、藍光LED的出現(xiàn),使LED白光照明成為可能,同時、在大容量存儲方面也得到了發(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)光時代的來臨。不久,橙色、黃色和黃綠色LED也相繼問世,實現(xiàn)了在波長940~540nm范圍內(nèi)發(fā)光的全固化。二十世紀七十年代,LED產(chǎn)業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展的春天,在大屏幕顯示、交通信號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進入了人們的生活。但是實現(xiàn)全色顯示尚缺發(fā)藍光的LED,藍光的空缺一直是個障礙。

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

藍光發(fā)光二極管(LED)是以第三代半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)為代表的藍色發(fā)光二極管。國內(nèi)外都對該領(lǐng)域投入了大量的研究,美國和日本現(xiàn)已掌握生產(chǎn)純藍和純綠光的氮化鎵基(GaN)材料的生長工藝。我國已在實驗室生產(chǎn)出氮化鎵基(GaN)藍色發(fā)光材料,目前正在進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方面的研究。氮化鎵基固態(tài)光源是一個GaN-白光LED發(fā)光器件,具有全固體、冷光源、壽命長、體積小、光效高、響應(yīng)速度快、耐候性好等優(yōu)點。在國民經(jīng)濟的眾多領(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和經(jīng)濟生長點。

白光LED點燃了真正“綠色照明”的光輝,被認為是21世紀最有價值的新光源,將取代白熾燈和日光燈成為照明市場的主導(dǎo),使照明技術(shù)面臨一場新的革命,從而一定程度上改善人類的生產(chǎn)和生活方式。

氮化鎵基(GaN)材料特點以氮化鎵(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、綠光發(fā)光二極管LED和激光二極管LD,并可延伸到白光LED,將替代人類沿用至今的照明系統(tǒng)。氮化鎵基(GaN)藍光二極管還將帶來IT行業(yè)數(shù)字化存儲技術(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發(fā)隊伍也正與企業(yè)合作開發(fā)第三代半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)為代表的藍色發(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,而市場需求驅(qū)動力又十分大,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：開始用MOCVD技術(shù)生長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；

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光GaN基二極管。

由于GaN在高溫生長時氮的離解壓很高,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行異質(zhì)外延生長。在各種生長技術(shù)中金屬有機化學(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技術(shù)。MOCVD方法的生長速率適中,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,生長材料和器件質(zhì)量{zg}的方法。美國的EMCORE和AIXTRON公司以及英國的Thomas Swan公司都已經(jīng)開發(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,這是它的獨特特征。原子逐層沉積導(dǎo)致薄膜生長。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), 用計算機控制進行自動化生產(chǎn)一次可以生長四個6 英寸,九個4英寸或16個3英寸晶片。單機年產(chǎn)量可以超過一萬片的6英寸晶片。

氮化鎵基藍光LED的出現(xiàn)使全色顯示成為可能。

全色LED顯示系統(tǒng)特點：

1、RGB 三色均有16 bit灰度級

2、支持標準的VGA、NTSC、PAL、SECAM 視頻系統(tǒng),類似CRT動態(tài)顯示信號輸入選擇：(1)TV、VCR、LD、DVD；(2)視頻相機、RS232、調(diào)制解調(diào)器；(3)MPEG系統(tǒng)；

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

4、具實時自檢系統(tǒng)；

5、具柔性抗GAMMA修正；

6、具光纖數(shù)據(jù)傳輸能力；

7、具遙控通訊與定時軟件；

8、水平廣視角,無透鏡可達170°；

9、屏幕尺寸可靈活設(shè)計；

10、實時60Hz圖象無閃爍處理器；

11、可在強陽光、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、低熱,高功率效率,256級亮度調(diào)節(jié),高精度CNC外罩設(shè)計。

目前,LED產(chǎn)業(yè)競爭的焦點集中在白光LED、藍、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構(gòu)競相開發(fā)、努力獲取的目標,是未來照明領(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,而其壽命可長達10萬小時。白光LED的無汞化,易回收,益于環(huán)境保護。因此各國政府均大力扶持白光LED的發(fā)展。美、日、歐盟等發(fā)達國家皆由政府成立專項,積極推行如：日本的“21世紀的光照明”計劃,時間是從1998年~2002年,將耗費50億日元推行半導(dǎo)體照明,目標是在2006年用白光LED替代50%的傳統(tǒng)照明；美國的“國家半導(dǎo)體照明計劃”,時間是從2000年~2010年,計劃投資5億美元；歐盟的“彩虹計劃”,已在2000年7月啟動,通過歐共體的資助,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,搶占這個未來{zd0}的照明市場。

由于LED的節(jié)能特點，世界各國對LED的研發(fā)生產(chǎn)都極為重視。日本已經(jīng)實現(xiàn)1998－2002年耗費50億日元推行白光照明，預(yù)計2006年完成用白光LED照明替代50％的傳統(tǒng)照明，整個計劃的財政預(yù)算為60億日元。美國2000年制定的“下一代照明計劃”被列入了能源法案，計劃從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350億美元，形成一個每年產(chǎn)值超過500億美元的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)市場。

未來5年，我國也將把半導(dǎo)體照明作為一個重大工程進行推動；而科技部也已批準上海、大連、南昌、廈門、深圳5地作為LED產(chǎn)業(yè)化基地。按這5大產(chǎn)業(yè)基地預(yù)計目標，我們估計，到2010年，整個中國LED產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將超過1500億元。

我國在半導(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)品封裝在國際市場上已占有一定的份額。另外，我國具有豐富的有色金屬資源，鎵、銦儲量豐富，占世界儲量的70%－80%，這使我國發(fā)展半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)具有資源上的優(yōu)勢。

據(jù)國家新材料行業(yè)生產(chǎn)力促進中心提供的資料，我們整理的數(shù)據(jù)，目前，我國LED上游生產(chǎn)企業(yè)主要有深圳方大、廈門三安、上海藍光、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)主要有廈門華聯(lián)、佛山光電、寧波愛米達、天津天星等。通過啟動國家半導(dǎo)體照明工程，我國在兩年多時間內(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，實現(xiàn)了功率型芯片的從無到有，改變了芯片全部依賴進口的不利局面，國產(chǎn)芯片目前占到國內(nèi)市場37%的份額。其次，功率型白光封裝也取得較大突破，基本達到國際產(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)集成開發(fā)方面有了較大進展。新開發(fā)的諸如功率型LED臺燈、汽車燈、功率型LED太陽能庭院燈等百余種應(yīng)用產(chǎn)品，已實現(xiàn)批量生產(chǎn)并有部分產(chǎn)品出口。

中國LED 產(chǎn)業(yè)近年發(fā)展迅速，據(jù)2006年出版的《中國電子工業(yè)年鑒》統(tǒng)計，2006年全國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LED 產(chǎn)業(yè)在2006年繼續(xù)呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢，產(chǎn)量占世界LED 總產(chǎn)量的12%。中國LED 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向是重點發(fā)展超高亮度的紅、橙、AlGaInP 材料和器件；藍光GaN 材料和器件及紅、綠、藍三原色全彩色顯示屏。

　　在「十一五」計劃（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「十一五」期間平均增長約24%，2010年產(chǎn)量目標約為800億只。

　　為了適應(yīng)市場對LED 需求的快速增長，中國已經(jīng)在2001年將LED 分類為31項國家鼓勵發(fā)展的電子產(chǎn)品之一和20種鼓勵外商投資的電子產(chǎn)品和技術(shù)之一，重點予以發(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晶片仍然主要靠進口，增長幅度約8%；LED 器件增長幅度遠比預(yù)測的要好，沒有回調(diào)且仍平穩(wěn)增長，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、汽車燈方面發(fā)展迅速，增幅約達35%。超高亮度白光LED晶片來源、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50年代，隨著對砷化鎵（GaAs）研究的不斷深入，LED的發(fā)現(xiàn)終于水到渠成。1、貝爾實驗室、惠普、IBM、孟山都及RCA等公司在20世紀60年代首先開始了LED的研究?；萜蘸兔仙蕉納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LED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。最簡單的二極管由電的不良導(dǎo)體構(gòu)成，并對其進行改性（摻雜）以增加自由電子。高電子含量材料（稱為N型材料）與低電子含量材料（稱為P型材料）相連，為自由電子流動建立了通路。這個連接被稱為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。該過程被稱為注入發(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程中。高能電子進入低能量孔時會釋放能量，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的波長和能量水平。有多種材料可以用來生產(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銦鎵一般用來產(chǎn)生紅光和黃光；而氮化銦鎵一般用來產(chǎn)生藍光和綠光——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照明。一些架構(gòu)開始應(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的壽命與普通白熾燈和熒光燈展開競爭。

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

圖 1 -LED市場細分

LED技術(shù)突破近來晶粒材料和封裝生產(chǎn)方面的創(chuàng)新使LED亮度達到極高水平?；迨褂昧诵碌牟牧?，提高了導(dǎo)熱性能，從而吸收更多的能量，發(fā)出更亮的光。亮度的提升帶來了新的LED應(yīng)用，如汽車照明、交通信號，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）也隨即問世。這些改進使整個系統(tǒng)能以等同于利用普通燈泡技術(shù)的亮度忠實地再現(xiàn)色彩，且壽命更長。其它的性能改進包括系統(tǒng)層的特性，如瞬時顯像，無水銀，無色彩刷新偽像，動態(tài)可調(diào)亮度，以及更寬的色域。圖3將LED和通用參考標準 (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準[Rec. 709]寬40%），因而色彩的忠實度更高。對于壽命和色彩還原度都有極高要求的電視機產(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，其對于電視機產(chǎn)業(yè)的影響也與日俱增。圖4描述了LED技術(shù)的演進，以及未來幾年的亮度效率。