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LED技术水平现状(原创)

发布时间:2015-01-16 21:41:39    来源:韩国上市网

1、材料的发展——波长的扩展

理论和实践证明, 光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度有关。光的波长是由形成PN结的材料决定的, 而波长决定光的颜色(红640~ 750nm,橙600~640nm,黄550~600nm, 绿480~550nm,蓝450~480nm,紫400~450nm)。

1962年, 美国用GaAsP材料成功开发出全球第一颗LED(红色)。在其后40多年中, LED经历了GaP( 550nm绿色)、GaAsP( 650nm红色、橙色和黄色)、GaAlAs( 680nm红光)和InGaAlP( 590~620nm黄-橙黄)等多种材料的形式, 但发光颜色长期局限于红色和黄绿色。1993年, 日亚公司的研究人员Nakamora首次成功地研制出氮化物LED, 实现了蓝色半导体发光, 进而于1996年实现了白光LED。就光色而言,到2003年时, LED光源几乎完全涵盖了位于CIE(国际照明委员会)色度曲线内部的饱和颜色,LED与荧光组合可以产生任何一种颜色。LED今后主要的发展趋势是高亮度化,目前HB-LED较常使用的两种化合材料是AlGaInP(产生高亮度的橘红、橙、黄、绿光)及GaN/InGaN( GaN产生绿、翠绿、蓝光以及用InGaN产生近紫外线、蓝绿、蓝光)。

2、白光LED的实现—— GaN基蓝光LED、荧光粉

一般白光LED的生产技术包括采用RGB三色晶粒、蓝光LED+黄色荧光粉、蓝光LED+绿、红两色荧光粉、UVLED+RGB三色荧光粉,以及采用ZnSe材料以发出白光等五大技术。其中,蓝光LED加上黄色荧光粉产生白光是目前所有技术中最易实现的,具有成本低、寿命长、亮度及可靠度高等优势。

氮化镓基( GaN)材料是目前世界最先进的半导体材料,具有内、外量子效率高等特性, 可制成高效蓝、绿光发光二极管LED,并可延伸到白光LED, 将替代人类沿用至今的照明系统。

目前可被蓝光激发并发射可见光的荧光粉的品种并不多, 可分为稀土石榴石( YAG)、硫代镓酸盐、碱土硫化物、碱土金属铝酸盐、卤磷酸盐、卤硅酸盐以及氟砷(锗)酸镁等七大类。综合各种物理化学及发光特性后,三价铈( Ce3+)激活的稀土石榴石YAG: Ce3+体系荧光粉成为白光LED的首选材料。

但蓝光芯片与黄色荧光粉组合的色温偏高、显色指数偏低阻碍了它的进一步应用。实验验证, 色温随着荧光粉比例的增加而降低,显色指数变化不明显。各种增加白光LED发光光谱连续性的方案被提出来提高其显色指数;选用小粒径的荧光粉可以显著提高产品的光色均匀性(在色温8000K时, 可提高50%以上);采取荧光粉保形涂覆技术( conformally coating),可将出光均匀性提高10倍; 使用纳米量子阱作为有源层的有机/无机LED,能获得一个具有高纯度饱和度且色彩可调的窄带宽。

3、结构的发展——发光效率的提升

1991年以来,材料技术与芯片规格和形状的组合,使提供的流明通量大幅提高: 基于匹配衬底所做的低缺陷密度的LED可获得最佳的发光性能,如SiC上所做的器件具有更小的位错密度, 基于该衬底的各色光LED的性能优于在蓝宝石衬底上依靠侧向生长来减小位错密度的LED性能;增大芯片面积也能提高发光效率; 结构化芯片形状的设计由最初普遍采用的低出光率的台面结构(长方形)发展为倒金字塔形(化学刻蚀)以及六棱锥形,采用这些新颖的结构可以从芯片中提取更多的光。

随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进,在芯片生长过程中引入了MOCVD外延生长技术、分布式布拉格反射( DBR)的结构、光学微腔(RC)以及量子阱结构(QW)、功率型LED的多量子阱结构(MQW)等, 使得半导体照明用的发光二极管发光效率不断提高,2010年已突破100 lm/W。同时将芯片采用倒装焊结构及纹理表面取光结构(即表面粗化)也能提高LED的外量子效率和取光率。

4、工艺的发展——单色功率的提升

早期红色LED(GaAsP)的性能只有0.1 lm/W的输出通量,掺氮使其效率提升了约10倍。到1971年, 绿色芯片实现了类似的效率。上世纪80年代早期, AlGaAsLED的生产技术得到突破,可以以高达10lm/W的效率产生红光。199年, In-GaAIP(590~620nm黄-橙黄)技术提供了与最佳红色器件同等的性能, 较当时的标准GaAsP器件(红色、橙色和黄色)要好10倍。2003年时,透明基底lnGaAIP的LED器件提供几流明到几十流明的输出功率。更新的工艺 每个器件中封装了更多的LED或多个器件安装在一个装配件中, 使得其流明输出能够与微型白炽灯相当。

1990年前后SiC基底的蓝色LED问世,其效率仅4 lm/W,随后GaN基LED在技术上取得突破。随着高亮度蓝光LED的技术进步,2006年,用蓝光激发荧光粉发出白光的LED发光效率大都已超30lm/W,某些产品已超过50lm/W的水平。共沉淀法等全新的荧光粉制备工艺也促进了高效LED白光的发展。

5、封装

粘结材料和基板是LED散热的关键环节: 随着LED器件输入功率的提升,粘结材料的导热性能需要由弱变强 粘结材料从普通导热胶到导电型银浆、锡浆; 常用的散热基板材料包括硅、金属(如铝、铜)、陶瓷(如Al2O3、AIN、SiC)和复合材料等, 综合评估基板的加工难易度、成本、比重、热膨胀系数、热导率、强度与硬度等指标,金属基复合材料(如AlSiC) 脱颖而出,广泛应用于大功率LED封装中。

提高出光率的2个关键:(1)降低遮蔽、增加光透率——生长电流扩散层把注入器件的电流扩展开; 改变电极形状(梳状电极,米字型电极)来改善电流扩散;制作透明电极(ITO);(2)强化光折射、反射率——LED芯片的结构从横向发展到倒装焊直至垂直; 采用折射系数逐层降低的多层硅胶;芯片发光层与硅底板之间增加反射层;对芯片侧面的热沉进行镜面加工;在倒装芯片的蓝宝石衬底与环氧树脂结合面之间增加一层硅胶材料作为热膨胀应力缓冲层; 出光面粗化处理; 选取高透光的玻璃或亚克力等合成材料来制作透镜,且以市场需求量最大的球形透镜结构为基础, 兼顾凸透镜等其他多种透镜设计结构;采用聚碳酸酯或硅制作的自由形状透镜这一新颖的封装模式有更高(约9%)的光提取效率;开发没有反射的左手材料代替目前的Ag或Au发射镜。

LED的封装方案也由上世纪80年代出现的表面贴装(SMT)转向目前国际上主流封装技术——硅底板倒装法、陶瓷底板倒装法和AIGalnN/碳化硅背面出光法, 新提出的嵌入式封装技术解决了大功率LED中的两大挑战——光输出耦合和高工作温度。

严谨、科学的研究方法才能确保研究报告的准确性和质量。《2011-2012年中国LED产业发展趋势研究报告》主要采用的研究方法有:1)普查:我们对LED产业行业中近百家从业者进行了面访或电话访问,获得最佳一手数据。 2)跟踪研究:为确保实时掌握LED产业行业动态,我们在此LED产业行业建立了跟踪研究机制,每个月都通过访问获得LED产业行业的发展动态。3)政府机构数据:我们查询了LED产业行业的重点企业的工商档案、统计局档案、海关进出口数据等等,获得较为权威的信息。4)SOWT分析:应用SWOT分析、波特五力分析等方法,我们分析了LED产业行业及企业的竞争优劣势以及潜在的威胁及发展机会。5)科学预测:我们采用回归分析、时间序列分析、因子分析、组合分析等方法对LED产业的发展趋势做出了全的预测。

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