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LED技术及应用
LED技术及应用
LED元件在2005年的全球市场规模约为57.4亿美元,其中50%在日本,20%在台湾。
除了各种应用照明、户外建筑及手机背光源等应用外,业界正在积极找寻各种新应用。
本文介绍了LED的基本原理、技术趋势,以及市场动态。
LED产业趋势
发光二极管(LED是利用光辐射原理来发光的,其发光颜色与制作材料有很密切的关系。
LED技术的开发,从早期的红光、绿光,一直到开发成功蓝光LED,才通过整合红、蓝、绿,或把蓝光荧光粉与黄色荧光粉混合,成为白光LED。
成功开发出白光LED的最大好处,是可以应用於多波长,让运用领域变得广泛而深远。
1、LED产业的发展
早在1907年开始,人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象,但生产出有一定发光效率的红光LED已是1969年了。
1994-1995年人们开发成功了蓝光LED,并在1998年实现了真正商品化。
2000-2002年间,研发人员不断追求成本效益,使LED成功打入手机背光源市场。
到今天,LED已生产了30多年,各种类型的LED、利用LED作二次
开发的产品及与LED配套的产品(如白光LED驱动器)发展迅速,新产品不断上市,并已发展成为一种新型产业。
LED技术研发之路,最为人津津乐道的故事,就是开发蓝光LED时,碳化矽(SiC)与氮化镓(GaN)两大门派之争。
这也是许多研发团队辛勤投入开发蓝光LED元件时,必须痛苦抉择的两条截然不同的道路。
之前,全球许多大公司皆投入SiC研发,结果日本一家专门做荧光粉业务的公司——日本日亚化工公司(NichiaChemicalIndustriesLtd.)的研发人员中村修二先生(ShujNakamura)於1994年和1995年,在氮化镓(GaN)研究方面获得重大突破,并取得震惊全球的专利。
这位研发人员的重大突破,引发了包括Sony及Toshiba等大厂的最高主管都出面为自己所做的错误决策导致技术落後而道歉。
这位Nakamura的技术突破,让氮化镓(GaN)阵营正式快速超越SiC。
原本做荧光粉业务的Nichia由於在蓝光LED技术上的成功,使其年营业额从约1亿美元快速发展到2003年的9亿美元。
而原本该公司准备发给Nakamura的专利奖励金是日币200万元,经过一场官司後,Nichia被判定应该给这位研究人员日币2亿元。
欧斯朗公司LED封装趋势
继蓝光LED技术突破後,白光LED正式启动了广泛的LED应用风潮,从显示、指示及手机光源,到正在酝酿中的LCD-TV背光源,各种新机会的大门不断被创意敲开。
2、LED技术
LED是继1950年代矽(Si)半导体技术後,由三五族(III-V族)化合物半导体发展的半导体器件。
LED的发光原理是利用半导体中的电子和空穴结合而发出光子,不同於灯泡需要在3000度以上的高温下操作,也不必像日光灯需使用高电压激发电子束,LED和一般的电子元件相同,只需要2-4V的电压,在常温下就可以正常动作,因此其寿命也比传统光源来得更长。
LED所发出的颜色,主要是取决於电子与空穴结合所释放出来的能量高低,也就是由所用的半导体材料的能隙所决定。
同一种材料的波长都很接近,因此每一颗LED的光色都很纯正,与传统光源都混有多种颜色相比,LED可说是一种数字化的光源。
LED晶片大小可以因用途而随意切割,常用的大小为0.3-1.0mm左右,跟传统的灯泡或日光灯相比,体积相对小得多。
为了使用方便,LED通常都使用树脂包装,做成5mm左右的各种形状,十分坚固耐震。
LED的基本结构
LED的制作过程与制作矽晶圆IC很相似,首先使用化学周期表中超高纯度的III族元素——铝(Al)、镓(Ga)、铟(In),以及V族元素——氮(N)、磷(P)、砷(As)为材料,在高温下反应成为化合物,经过单晶生长技术,制成单晶棒,经过切割、研磨、抛光成为晶片,再将其作为基板(substrate),使用磊晶技术将发光材料生长在基板上,制成的磊晶片经过半导体镀金和蚀刻工艺後,通过细切加工成LED晶粒。
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值得注意的是,除了大家常见的可见光外,LED还有不可见光,如“紫外光”与“红外光”等,例如电视遥控器就是一种红外光应用,其波长约为900nm,而紫外光则因为具有杀菌功能,所以被广泛应用在医疗用途上。
LED主要向大功率和小体积两个方向发展
(1)提高发光强度及发光效率
作为指示灯方面的应用,有几个mcd的发光强度也可以了,但由LED组成的数码管或字元管则显得亮度不足,若要用於户外作信号或标?
蚁允荆?
则其亮度太低,不能满足使用的要求。
所以LED的主要发展方向是提高发光强度(也就是一般所指的提高亮度)。
InGaAlP和nGaNLED晶片发光效率的演变。
其中,a为InGaN蓝光LED,b为InGaN绿光LED
随著半导体材料及半导体工艺技术、设备的发展,LED的亮度不断提高,开发出高亮度及超高亮度LED,并且不断创造新记录。
以Φ5标准封装、发红光、视角差别不大的LED为例,不同生产年份LED的发光强度如表1所示。
表1不同生产年份LED的发光强度比较
从表1可以看出,近30年LED的发光强度提高了8000倍左右。
1969-1987年LED的发光强度是很低的,发展很慢,但1994-2005年LED的亮度有很大的发展。
表1列出的并非发光强度最高的。
例如,在GaAs的衬底上采用AlInGaP工艺技术制成的Φ5、红光LED,在小视角4°、50mA工作电流时,其典型发光强度为20000mcd。
以GaAs为衬底的LED结构
LED另一个重要性能指标是发光效率η,用lm/W来表达。
各年份生产的LED发光效率如表2所示。
从表2可以看出,这30多年来,LED的发光效率提高了250倍以上。
1970-1990年LED发光效率提高较慢,1990-2005年则提高较快。
例如,Cree公司生产的1W白光LEDXL7090WHT,其发光效率可达60lm/W。
表2不同生产年份LED的发光效率比较
XL7090WHT是超高亮度、小尺寸封装的白光LED。
XL7090WHT的发光强度大,电流350mA时的典型光通量为60lm,在瞬态脉冲电流700mA时典型光通量可达98lm,而目前一般1W白光LED的光通量为30-45lm);XL7090WHT的发光效率高达60lm/W,视角宽达100°;封装尺寸仅为9×74.3mm;工作温度范围是-20-+80℃。
由於XL7090WHT发光强度大、发光效率高,因此它适用於家庭、商业或公共场所明、DVD、笔记本电脑、电视机的彩色显示屏的背光;广告灯、路灯及标?
业疲黄?
车及运输工具的内外照明及数码相机的闪光灯等。
从表1和表2也可以看出,LED的发光强度及发光效率的提高主要取决於采用的半导体材料及其工艺技术的发展。
早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半导体材料)和GaAsP(三元素半导体材料),1994年左右采用AlInGaP(四元素半导体材料)後,其发光强度及发光效率有很大的提高。
另外,在工艺技术上采用在GaAs衬底上用AlInGaP材料生产的红光、黄光LED及在SiC衬底上用InGaN材料生产的绿光、蓝光LED,在发光强度及发光效率上有较大的改进。
(2)提高LED功率
我们知道,LED的发光强度与正向电流IF几乎成线性关系,即增加正向电流IF可增加发光强度。
但LED有一个最大功耗PD值的限制,PD=VF×IF(VF为正向压降),若过大地增加IF而使PD超过最大值时,LED会过热而损坏。
为了要提高发光强度,开发出中功率LED(一般为几百mW),其工作电流也提高到70mA。
近年来,为进一步提高发光强度,开发出大功率LED,其功率一般为1-10W(有一些还大於10W)。
它的工作电流一般为350-700mA,有些可达1A以上。
以AmericanOptoPlusLED公司生产的5W的PU-5WXX系列为例,在700mA电流下,其结温Tj为25℃,其典型发光强度如表3所示(大功率LED的发光强度用光通量表示)。
表3PU-5WXX系列LED的典型发光强度
从表3可以看出,除蓝光LED的发光强度及发光效率较低外,其他发光颜色的发光强度及发光效率都相当高。
早期生产的LED是小功率的(几十至上百mW),现在已能生产大於10W的大功率LED,在功率上增加了100倍以上。
虽然说小功率LED与大功率LED的发光效率是差不多的,但LUMILEDS公司的研究表明,大功率白光LED比Φ5白光LED的寿命更长。
另外,采用很多小功率白光LED组成的灯泡可靠性也差一些,灯泡体积也较大。
例如,用1W白光LED做成灯具,其尺寸为50.8×50.8×7.1mm,而采用Φ5白光LED来做,其体积则要大得多。
但目前大功率LED投产时间不长,价位较高,所以目前大部分LED灯泡仍是用小功率LED做的。
3、白光LED时代的来临
白光LED是LED家族中最後一个问世的,它的诞生是LED生产中一个重要的突破,它将成为新的照明光源。
白光是复合光,可以用红、绿、蓝(R、G、B)三基色LED混合成白光。
1995年前後生产的一种集成LED白光灯(或称全色LED灯)由2个高亮度蓝光LED、15个绿光LED及5个红光LED组成。
这种白光LED灯尺寸大、白光纯度不高、发光效率也不高。
但这种三基色灯用单片机来控制可发出七色光及白光的变色灯,可用於娱乐场所,增加节日气氛。
另外,采用RGB三种管芯组成的RGBLED常用於手机的变色背光。
在上世纪末,可能受荧光灯的启发,人们在高亮度蓝光LED管芯上加一层荧光粉,用蓝光激发荧光粉发出白光的白光LED。
采用不同的荧光粉,可发出冷白光(色温为4500-10000K)及暖白光(色温为2850-3800K)的白光LED。
目前,白光LED的发光效率大都已超过30lm/W,某些产品已超过50lm/W的水准,它给用於照明的LED灯泡创造良好的条件。
在2005年,业界开发成功了无荧光粉、Φ5透明树脂封装的白光LED。
该白光LED采用蓝宝石(Al2O3)为衬底,采用InGaN工艺技术制成。
在IF为20mA时,发光强度为700-1200mcd,为LED的普及应用奠定了基础。
白光LED照明灯泡
(1)TFT-LCD背光照明
目前,CCFL是大尺寸LCD产品中应用最广泛的背光技术。
虽然从技术上来说CCFL已经相当成熟,无论是性能还是稳定性都久经考验。
但在NB产品、大尺寸LCD-TV产品日益强调轻薄短小、更高的色彩表现和更强的环保特性趋势下,逐渐显示出强大的应用前景。
LED背光技术的优势主要表现在∶
A、使用寿命长
在发光寿命方面,LED背光技术将CCFL远远抛在後面。
普通的CCFL背光源一般的使用寿命在3万小时左右,一些顶级的CCFL背光的发光寿命也不过在6万小时左右。
这样的寿命对於频繁使用的用户来说意味著使用2-3年後LCD的亮度就将会明显下降,许多LCD产品在使用几年後萤幕就会发黄、亮度明显变暗,而不得不更换LCD的CCFL背光模组。
而LED背光则完全没有这样的问题,现阶段白色LED背光的寿命已经高达10万小时。
每天连续使用10个小时,可以连续用上27年,即使24小时不间断使用,这样的寿命也足够使用5年!
而且还有再次提升的潜力。
B、丰富的色彩表现力
在色彩表现力方面,LED背光也远胜於CCFL。
原有的CCFL背光由於色纯度等问题,在色阶方面表现不佳。
这就导致了LCD在灰度和色彩过渡方面不如CRT。
更重要的是,冷阴极荧光灯色域较为狭窄,会严重影响在LCD显示器上显示的色谱,导致几乎所有的LCD显示器都无法达到平面印刷的AdobeR
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