是金子總會發(fā)光 LED行業(yè)即將"走紅"

LED發(fā)展歷程

　　1907年Henry Joseph Round第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象，由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實際應(yīng)用，更難處在于碳化硅與電致發(fā)光不能很好的適應(yīng)，研究被摒棄了。

　　20世紀(jì)20年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard在德國使用從鋅硫化物與銅中提煉的的黃磷發(fā)光，再一次因發(fā)光暗淡而停止。

　　1936年,George Destiau出版了一個關(guān)于硫化鋅粉末發(fā)射光的報告，隨著電流的應(yīng)用和廣泛的認(rèn)識，最終出現(xiàn)了“電致發(fā)光”這個術(shù)語。

　　20世紀(jì)50年代，英國科學(xué)家在電致發(fā)光的實驗中使用半導(dǎo)體砷化鎵發(fā)明了第一個具有現(xiàn)代意義的LED，并于60年代面世。第一個商用LED僅僅只能發(fā)出不可視的紅外光，但迅速應(yīng)用于感應(yīng)與光電領(lǐng)域。

　　60年代初，在砷化鎵基體上使用磷化物發(fā)明了第一個可見的紅光LED，磷化鎵的改變使得LED更高效、發(fā)出的紅光更亮，甚至產(chǎn)生出橙色的光。當(dāng)時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光(λp=650nm)，在驅(qū)動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應(yīng)的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。

　　到70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光(λp=555nm)，黃光(λp=590nm)和橙光(λp=610nm)，光效也提高到1流明/瓦；就在此時，俄國科學(xué)家利用金剛砂制造出發(fā)出黃光的LED，盡管它不如歐洲的LED高效；但在70年代末，它能發(fā)出純綠色的光。

　　80年代早期到中期對砷化鎵磷化鋁的使用使得第一代高亮度的LED的誕生，先是紅色，其LED的光效達到10流明/瓦接著就是黃色，最后為綠色。

　　到20世紀(jì)90年代早期，采用銦鋁磷化鎵生產(chǎn)出了桔紅、橙、黃和綠光的LED。在很長的一段時間內(nèi)都無法提供發(fā)射藍光的LED，設(shè)計工程師僅能采用已有的色彩：紅色、綠色和黃色，早期的“藍光”器件并不是真正的藍光LED，而是包圍有藍色散射材料的白熾燈。第一個有歷史意義的藍光LED也出現(xiàn)在90年代早期(日亞公司1993宣布，中村修二博士發(fā)明)，再一次利用金鋼砂—早期的半導(dǎo)體光源的障礙物。依當(dāng)今的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)去衡量，它與俄國以前的黃光LED一樣光源暗淡。

　　90年代中期，出現(xiàn)了超亮度的氮化鎵LED，當(dāng)前制造藍光LED的晶體外延材料是氮化銦鎵(InGaN)，發(fā)射波長的范圍為450nm至470nm，氮化銦鎵LED可以產(chǎn)生五倍于氮化鎵LED的光強。超亮度藍光芯片是白光LED的核心，在這個發(fā)光芯片上抹上熒光磷，然后熒光磷通過吸收來自芯片上的藍色光源再轉(zhuǎn)化為白光，利用這種技術(shù)可制造出任何可見顏色的光，今天在LED市場上就能看到生產(chǎn)出來的新奇顏色，如淺綠色和粉紅色。

　　在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)(λp=615nm)的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域(λp=530nm)的光效可以達到50流明/瓦。

　　近期開發(fā)的LED不僅能發(fā)射出純紫外光而且能發(fā)射出真實的“黑色”紫外光，LED發(fā)展史到底能走多遠還不得而知，也許某天就能開發(fā)出能發(fā)X射線的LED。然而，LED的發(fā)展不單純是它的顏色還有它的亮度，像計算機一樣，遵守摩爾定律的發(fā)展，即每隔18個月它的亮度就會增加一倍，曾經(jīng)暗淡的發(fā)光二極管現(xiàn)在真正預(yù)示著LED新時代的來臨。

照明用LED高亮度白光是怎樣生成的

　　白光LED基本上有兩種方式，一種是多晶片型，一種是單晶片型。前者是將紅綠藍三種LED封裝在一起，同時使其發(fā)光而產(chǎn)生白光，后者是把藍光或者紫光、紫外光的LED作為光源，在配合使用熒光粉發(fā)出白光。前者的方式，必須將各種LED的特性組合起來，驅(qū)動電路比較復(fù)雜，后者單晶片型的話，LED只有1種，電路設(shè)計比較容易。

　　單晶片型進一步分成兩類，一類是發(fā)光源使用藍光LED，以460nm波長的藍光晶粒涂上一層YAG螢光物質(zhì)，利用藍光LED照射此一螢光物質(zhì)以產(chǎn)生與藍光互補的555nm波長黃光，再利用透鏡原理將互補的黃光、藍光予以混合，便可得出所需的白光(日亞專利)，生產(chǎn)較容易，其效率較高，成本較低，目前大部分白光LED采用此方法；另一類是使用近紫外和紫外光，豐田合成(Toyoda Gosei)與東芝所共同開發(fā)的白光LED，是采用紫外光LED與螢光體組合的方式，與一般藍光LED與螢光體組合的方式做區(qū)隔。藍光LED與螢光體的組合方式，當(dāng)照在紅色物體的時候，其紅色的色澤效果比較不理想，紫外光LED與螢光體組合可以彌補這個缺點，但是，其發(fā)光效率卻仍低于藍光LED與螢光體組合的方式，至于價格與產(chǎn)品壽命，兩者差距不大。

　　在過去，只有藍光LED使用GaN做為基板材料，但是現(xiàn)在從綠光領(lǐng)域到近紫外光領(lǐng)用的LED，也都開始使用GaN化合物做為材料了。并且伴隨著白光LED應(yīng)用的擴大，市場對其效能的期待也逐漸增加。從單純的角度來看，高效率的追求一直都是被市場與業(yè)者所期待的。

　　但是另一方面，演色也將會是一個重要的性能指標(biāo)，如果只是做為顯示用途的話，發(fā)光色為白色可能就已經(jīng)足夠了，但是從照明的用途來說，為了達到更高效率，如何實現(xiàn)與自然光接近的顏色就顯得非常必要了。

LED發(fā)光效率影響因素

　　LED的發(fā)光強度及發(fā)光效率的提高主要取決于采用的半導(dǎo)體材料及其工藝技術(shù)的發(fā)展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半導(dǎo)體材料)和GaAsP(三元素半導(dǎo)體材料)，1994年左右采用AlInGaP(四元素半導(dǎo)體材料)后，其發(fā)光強度及發(fā)光效率有很大的提高。另外，在工藝技術(shù)上采用在GaAs襯底上用AlInGaP材料生產(chǎn)的紅光、黃光LED及在SiC襯底上用InGaN材料生產(chǎn)的綠光、藍光LED，在發(fā)光強度及發(fā)光效率上有較大的改進。

　　LED的發(fā)光強度與正向電流IF幾乎成線性關(guān)系，即增加正向電流IF可增加發(fā)光強度。但LED有一個最大功耗PD值的限制，PD=VF×IF(VF為正向壓降)，若過大地增加IF而使PD超過最大值時，LED會過熱而損壞。為了要提高發(fā)光強度，開發(fā)出中功率LED(一般為幾百mW)，其工作電流也提高到70mA。為進一步提高發(fā)光強度，業(yè)者開發(fā)出了大功率LED，其功率一般為1～10W(有一些還大于10W)，它的工作電流一般為350～700mA，有些可達1A以上。

　　市場希望只需一顆就可達到相當(dāng)亮度的LED，在這一方面的技術(shù)落在如何讓LED能夠支援更大的電流。通常30um2的LED最大可以驅(qū)動30mA的電流，但是這樣的結(jié)果遠遠無法滿足市場的期望，所以目標(biāo)是需要將10倍以上的電流，導(dǎo)通到LED元件中。因此當(dāng)LED的面積尺寸可以擴充到1mm2時，那么緊接下來的工作便是如何讓電流值能夠達到350~500mA，因為驅(qū)動電壓是3V多，所以就可以有1W的電力能被流進1mm2的晶片面積。

　　而在發(fā)光演色的方面，雖然有這么大的功率輸入到GaN LED中，但是所投入電力的四分之三都無法轉(zhuǎn)換成光而形成熱量，因此LED就會出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象，這也會直接影響到LED的演色結(jié)果。因為LED元件的基本特性是，如果溫度上升，發(fā)光效率就會下降以及造成演色性偏差，所以如何有效的釋放大量產(chǎn)生熱量的放熱技術(shù)成為了關(guān)鍵，因此將LED裝在熱傳導(dǎo)率大、熱容量大的材料上就成了相當(dāng)重要的問題，目前大多是使用有價金屬或者陶瓷。

　　在現(xiàn)有的發(fā)光效率下，如果需要一定程度高輝度，期望因為增加電流量來產(chǎn)生較大亮度的話，這就必須考量如何增加LED的面積來滿足所增加的電流，或者利用將數(shù)顆小型LED封裝在同一個模組之中，來實現(xiàn)封裝模組對電流量容許值的提高。在目前的發(fā)光效率下，熱效應(yīng)也會成比例的上升，另外，大面積LED比小面積LED的電阻來得要高，使得大面積LED本身的效應(yīng)也比較大，如果單純以現(xiàn)有LED為基礎(chǔ)來提高輝度的話，將會陷入一個因LED本身價格，和散熱材料的成本過高而產(chǎn)生的惡性循環(huán)之中，這和以低成本化為基礎(chǔ)的市場特性是背道而馳的，而且熱效應(yīng)量的上升會引起封裝材料的熱劣化，對其使用壽命也有很大的影響。

　　由于上述理由，為了擴大未來的白光LED市場，業(yè)者就必須提高LED的外部量子效率，如果實現(xiàn)了LED高外部量子效率來提高發(fā)光效率的話，所出現(xiàn)的連鎖反應(yīng)就會下降，例如因為減少電流透過而使得熱效應(yīng)比率降低，實現(xiàn)成本的下降和長壽命化。關(guān)于這一方面，目前因為透過局部制程的改變、使用不同的化合物半導(dǎo)體材料、各種白色發(fā)光方法的開發(fā)，以及新一代熒光粉的開發(fā)，已經(jīng)使得LED的發(fā)光效率可以達到100lm/W。但現(xiàn)在使用白光LED的發(fā)光效率，除了一部分的制品之外，產(chǎn)業(yè)化的大多都在30~50lm/W左右。如果要代替節(jié)能燈就需要將亮度提升到80~100lm/W，如果要代替使用在汽車頭燈上的HID的話，就更需要提高到120lm/W以上的發(fā)光效率。就技術(shù)上，如果藍光LED芯片的光輸出效率如果達到360mW，配合高階技術(shù)的封裝能力，獲得100lm/W的白光輸出并不困難，包括Cree、日亞等的業(yè)者在2006年已開發(fā)出高亮度的藍光LED芯片，緊接著之后的如何降低外部量子效率的損耗便是考驗者封裝業(yè)者的能力，如必須設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱等等問題，目前的做法包括了：降低芯片的熱阻抗、控制模塊和印刷電路板的熱阻抗、提高芯片的散熱性等等。為了擴大LED特別是白光LED的用途，如何提高發(fā)光的效率、相應(yīng)的輝度、延長使用壽命、降低熱效應(yīng)，以及降低每單位照明的成本等條件，這需要業(yè)界做出持續(xù)不斷的努力。

　　在使用壽命的方面，目前已經(jīng)都能夠?qū)崿F(xiàn)4萬小時后才開始進入高峰衰退期的使用時間，但這卻只能滿足照明的最低要求，照明領(lǐng)域所需要的是更高的使用壽命，現(xiàn)在已經(jīng)有客戶要求LED業(yè)者提高壽命的要求，要求4萬小時是達到高峰期的70%，也就是說高峰衰退期的使用時間是5.7萬小時，而整體的使用壽命題將會提高到11.4萬小時，比起目前的8萬小時增加了近1/3。另一方面，LED的高峰衰退期是根據(jù)投入電量和點燈方法的不同有很大的變動，所以不可能明確定義，使得這一方面還是有一些問題存在。具體上白光LED的長壽命化，大多是透過封裝材料的改變來達到，例如由目前的環(huán)氧樹脂變?yōu)閟ilicon來防止樹脂黃變，在此同時還能夠維持光通量，此外還有包括，采用D/B材料和反射結(jié)構(gòu)的劣化防止技術(shù)，來達到改善熱效應(yīng)實現(xiàn)低溫驅(qū)動。

PjTime聲明:本版文章內(nèi)容純屬作者個人觀點，僅供投資者參考，并不構(gòu)成投資建議。投資者據(jù)此操作，風(fēng)險自擔(dān)。