發光二極管(LED)

半導體的發展可劃分為以下三個階段：

{dy}代半導體,1950年代：當時是以硅材料為主,其特征是頻率低、非直接帶隙,無發光器件；

第二代半導體,1970年代：出現了GaAs基、InP基黃、紅光發光管及激光器,促進了光電子及jy微電子(1-300GHz)的發展。在光纖通訊、無線通訊等領域獲得了發展應用；

第三代半導體,1990年代：GaN基半導體的誕生,其特征是 寬帶隙3－6eV,發射紫外、藍光。由于紫外、藍光LED的出現,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展應用。

1964年,世界上{dy}只紅色Ⅲ-Ⅴ族GaAsP-LED誕生,這也就預示著固體發光時代的來臨。不久,橙色、黃色和黃綠色LED也相繼問世,實現了在波長940~540nm范圍內發光的全固化。二十世紀七十年代,LED產業迎來了蓬勃發展的春天,在大屏幕顯示、交通信號燈和儀器儀表指示等領域得到廣泛應用,并隨著家用電器產業的發展LED進入了人們的生活。但是實現全色顯示尚缺發藍光的LED,藍光的空缺一直是個障礙。

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

藍光發光二極管(LED)是以第三代半導體氮化鎵(GaN)為代表的藍色發光二極管。國內外都對該領域投入了大量的研究,美國和日本現已掌握生產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出氮化鎵基(GaN)藍色發光材料,目前正在進行產業化生產方面的研究。氮化鎵基固態光源是一個GaN-白光LED發光器件,具有全固體、冷光源、壽命長、體積小、光效高、響應速度快、耐候性好等優點。在國民經濟的眾多領域具有廣泛的應用前景,正已引起科技界和產業界的極大關注,成為半導體領域新崛起的研究熱點和經濟生長點。

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,使照明技術面臨一場新的革命,從而一定程度上改善人類的生產和生活方式。

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體材料,內、外量子效率高,具有高發光效率,高熱導率,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}的半導體材料。

氮化鎵基(GaN)材料可制成高效藍、綠光發光二極管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。氮化鎵基(GaN)藍光二極管還將帶來IT行業數字化存儲技術的革命。 是室外高亮度、高清晰度大屏幕全色顯示屏關鍵部件。華南師范大學以劉頌豪院士為首的研究開發隊伍也正與企業合作開發第三代半導體氮化鎵(GaN)為代表的藍色發光二極管。

第三代半導體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;其發展與光電子、微電子技術同步發展;目前該技術發展十分迅速,日趨成熟,而市場需求驅動力又十分大,它具有巨大發展空間;產業化轉化速度亦非常快;其從低端產品不斷向gd產品發展;

GaN基半導體發展史

1969年：{dy}次外延GaN；

1969年：開始用MOCVD技術生長GaN；

1971年：{dy}只GaN LED；

1986年：低本底濃度的GaN膜出現；

1989年：解決P－GaN 生長；

1992年：日亞化學 (Nichia) GaN LED歷史性突破；

1994年：GaN HEMT(High Electron Mobility Transistors)出現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外延生長。在各種生長技術中金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)和分子束外延技術(MBE)已經成為制備GaN及其相關三元、四元合金薄膜的主流生長技術。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的大規模工業化生產。目前已經成為使用最多,生長材料和器件質量{zg}的方法。美國的EMCORE和AIXTRON公司以及英國的Thomas Swan公司都已經開發出用于工業化生產的Ⅲ族氮化物MOCVD(LP-MOCVD)設備。 分子束外延(MBE)是一種用于單晶半導體、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。原子逐層沉積導致薄膜生長。這些薄層結構構成了許多高性能半導體器件的基礎。MBE現在是一種可進行大批量生產的技術。多晶片、高產量的MBE系統, Semicon V150系統, 用計算機控制進行自動化生產一次可以生長四個6 英寸,九個4英寸或16個3英寸晶片。單機年產量可以超過一萬片的6英寸晶片。

氮化鎵基藍光LED的出現使全色顯示成為可能。

全色LED顯示系統特點：

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,類似CRT動態顯示信號輸入選擇：(1)TV、VCR、LD、DVD；(2)視頻相機、RS232、調制解調器；(3)MPEG系統；

3、通過自敏感系統自動調節各種顏色亮度 1 ～ {bfb}；

4、具實時自檢系統；

5、具柔性抗GAMMA修正；

6、具光纖數據傳輸能力；

7、具遙控通訊與定時軟件；

8、水平廣視角,無透鏡可達170°；

9、屏幕尺寸可靈活設計；

10、實時60Hz圖象無閃爍處理器；

11、可在強陽光、高溫環境下使用；

12、模塊化。易安裝,耐惡劣環境,恒流電源驅動、低熱,高功率效率,256級亮度調節,高精度CNC外罩設計。

目前,LED產業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競相開發、努力獲取的目標,是未來照明領域的明星行業。白光LED的能耗僅為白熾燈的1/8,熒光燈的1/2,節約能源,而其壽命可長達10萬小時。白光LED的無汞化,易回收,益于環境保護。因此各國政府均大力扶持白光LED的發展。美、日、歐盟等發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50億日元推行半導體照明,目標是在2006年用白光LED替代50%的傳統照明；美國的“國家半導體照明計劃”,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,推廣應用白光LED。目前,世界上掌握LED技術的新興半導體企業紛紛和老牌照明燈制造商聯手,搶占這個未來{zd0}的照明市場。

由于LED的節能特點，世界各國對LED的研發生產都極為重視。日本已經實現1998－2002年耗費50億日元推行白光照明，預計2006年完成用白光LED照明替代50％的傳統照明，整個計劃的財政預算為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，預計到2025年，固態照明光源的使用將使照明用電減少一半，每年節電額達350億美元，形成一個每年產值超過500億美元的半導體照明產業市場。

未來5年，我國也將把半導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產業化基地。按這5大產業基地預計目標，我們估計，到2010年，整個中國LED產業產值將超過1500億元。

我國在半導體照明領域已具備一定技術和產業基礎。已經初步形成從外延片生產、芯片制備、器件封裝集成應用的比較完整的產業鏈，現在全國從事半導體LED器件及照明系統生產的規模以上的企業有400多家，且產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%，這使我國發展半導體照明產業具有資源上的優勢。

據國家新材料行業生產力促進中心提供的資料，我們整理的數據，目前，我國LED上游生產企業主要有深圳方大、廈門三安、上海藍光、大連路美、江西聯創、江西欣磊等；中游生產企業主要有深圳量子、河北鑫谷、寧波升普、杭州創元、杭州中宙、北京睿源等；下游生產企業主要有廈門華聯、佛山光電、寧波愛米達、天津天星等。通過啟動國家半導體照明工程，我國在兩年多時間內取得了一系列技術創新與產業化方面的突破。

首先，在功率型高亮度發光二極管芯片關鍵技術方面，實現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，國產芯片目前占到國內市場37%的份額。其次，功率型白光封裝也取得較大突破，基本達到國際產業化水平的40流明。此外，在半導體照明應用產品的系統技術集成開發方面有了較大進展。新開發的諸如功率型LED臺燈、汽車燈、功率型LED太陽能庭院燈等百余種應用產品，已實現批量生產并有部分產品出口。

中國LED 產業近年發展迅速，據2006年出版的《中國電子工業年鑒》統計，2006年全國LED 的產量約為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 產業在2006年繼續呈現穩步增長的趨勢，產量占世界LED 總產量的12%。中國LED 產業的發展方向是重點發展超高亮度的紅、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，光電半導體在應用方面不斷取得突破，已經成為一種蓬勃發展的新興產業，LED 產業在2006年將有更突出的發展，預測「十一五」期間平均增長約24%，2010年產量目標約為800億只。

　　為了適應市場對LED 需求的快速增長，中國已經在2001年將LED 分類為31項國家鼓勵發展的電子產品之一和20種鼓勵外商投資的電子產品和技術之一，重點予以發展。

　　2006年度分別從LED 晶片、LED 器件及LED 應用產品三方面發展看，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測的要好，沒有回調且仍平穩增長，增幅約16%，生產主要是從后道封裝為主；就LED 應用產品而言，LED 顯示屏特別是室外全彩屏、交通燈、汽車燈方面發展迅速，增幅約達35%。超高亮度白光LED晶片來源、封裝工藝技術、材料成本方面在2006年均有較大的突破，未來將yl照明領域從傳統方式向固體照明方式轉化。

LED歷史

自20世紀初期，科學家們就不斷尋找能夠發光的各種物質。1907年，亨利•約瑟夫•讓德發現碳化硅（SiC）能夠發光。在接下來的50年中，不斷有科學家發現能夠發光的化合物。到了20世紀50年代，隨著對砷化鎵（GaAs）研究的不斷深入，LED的發現終于水到渠成。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。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等公司推出計算器和電子表等全新的產品，LED應用暴增。其它諸如指示燈和字母數字顯示器等應用很快成為LED的主流應用，并延續至今。2、LED技術背景

顧名思義，LED就是會發光的二極管。二極管是最基本的半導體組件，其作用是在一定可控的范圍內導電。最簡單的二極管由電的不良導體構成，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連接的二極管半導體，在通電后釋放光子。該過程被稱為注入發光，發生于電子從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LED，而目前比較普遍的應用是砷化鋁鎵(AlGaAs)、lhl銦鎵(AlInGaP)和氮化銦鎵(InGaN)。lhl銦鎵一般用來產生紅光和黃光；而氮化銦鎵一般用來產生藍光和綠光——這些材料生成的光子都在可視光譜之內。結合新的生產架構，它們可以被做成極亮的LED，用于一般照明和汽車照明。一些架構開始應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產量已達每月40億只左右，主要生產廠商集中在臺灣、日本和美國，而臺灣地區以占全球總產量50%的份額居于sw。多數廠家只是對LED晶粒進行封裝，只有少數幾家有能力實際生產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技術突破近來晶粒材料和封裝生產方面的創新使LED亮度達到極高水平。基板使用了新的材料，提高了導熱性能，從而吸收更多的能量，發出更亮的光。亮度的提升帶來了新的LED應用，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。

圖 2- 基本

LED構造lhl銦鎵和氮化銦鎵生產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能以等同于利用普通燈泡技術的亮度忠實地再現色彩，且壽命更長。其它的性能改進包括系統層的特性，如瞬時顯像，無水銀，無色彩刷新偽像，動態可調亮度，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品而言，LED技術尤其具有吸引力。隨著LED技術的持續發展，其對于電視機產業的影響也與日俱增。圖4描述了LED技術的演進，以及未來幾年的亮度效率。