发光二极管(LED)

半导体的发展可划分为以下三个阶段：

{dy}代半导体,1950年代：当时是以硅材料为主,其特征是频率低、非直接带隙,无发光器件；

第二代半导体,1970年代：出现了GaAs基、InP基黄、红光发光管及激光器,促进了光电子及xx微电子(1-300GHz)的发展。在光纤通讯、无线通讯等领域获得了发展应用；

第三代半导体,1990年代：GaN基半导体的诞生,其特征是 宽带隙3－6eV,发射紫外、蓝光。由于紫外、蓝光LED的出现,使LED白光照明成为可能,同时、在大容量存储方面也得到了发展应用。

1964年,世界上{dy}只红色Ⅲ-Ⅴ族GaAsP-LED诞生,这也就预示着固体发光时代的来临。不久,橙色、黄色和黄绿色LED也相继问世,实现了在波长940~540nm范围内发光的全固化。二十世纪七十年代,LED产业迎来了蓬勃发展的春天,在大屏幕显示、交通信号灯和仪器仪表指示等领域得到广泛应用,并随着家用电器产业的发展LED进入了人们的生活。但是实现全色显示尚缺发蓝光的LED,蓝光的空缺一直是个障碍。

1994年,氮化镓基蓝、绿光AlGaInN-LED的出现了,这是LED发展史上的又一个里程碑,它使户外全色显示和半导体照明成为可能。

蓝光发光二极管(LED)是以第三代半导体氮化镓(GaN)为代表的蓝色发光二极管。国内外都对该领域投入了大量的研究,美国和日本现已掌握生产纯蓝和纯绿光的氮化镓基(GaN)材料的生长工艺。我国已在实验室生产出氮化镓基(GaN)蓝色发光材料,目前正在进行产业化生产方面的研究。氮化镓基固态光源是一个GaN-白光LED发光器件,具有全固体、冷光源、寿命长、体积小、光效高、响应速度快、耐候性好等优点。在国民经济的众多领域具有广泛的应用前景,正已引起科技界和产业界的极大关注,成为半导体领域新崛起的研究热点和经济生长点。

白光LED点燃了真正“绿色照明”的光辉,被认为是21世纪最有价值的新光源,将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导,使照明技术面临一场新的革命,从而一定程度上改善人类的生产和生活方式。

氮化镓基(GaN)材料特点以氮化镓(GaN)为代表的III-V族宽带隙化合物半导体材料,内、外量子效率高,具有高发光效率,高热导率,耐高温,抗辐射,耐酸碱,高强度和高硬度等特性,是世界目前{zxj}的半导体材料。

氮化镓基(GaN)材料可制成高效蓝、绿光发光二极管LED和激光二极管LD,并可延伸到白光LED,将替代人类沿用至今的照明系统。氮化镓基(GaN)蓝光二极管还将带来IT行业数字化存储技术的革命。 是室外高亮度、高清晰度大屏幕全色显示屏关键部件。华南师范大学以刘颂豪院士为首的研究开发队伍也正与企业合作开发第三代半导体氮化镓(GaN)为代表的蓝色发光二极管。

第三代半导体GaN基LED是一种耐高温、高频、大功率、抗辐照及抗腐蚀的光电子器件;其发展与光电子、微电子技术同步发展;目前该技术发展十分迅速,日趋成熟,而市场需求驱动力又十分大,它具有巨大发展空间;产业化转化速度亦非常快;其从低端产品不断向xx产品发展;

GaN基半导体发展史

1969年：{dy}次外延GaN；

1969年：开始用MOCVD技术生长GaN；

1971年：{dy}只GaN LED；

1986年：低本底浓度的GaN膜出现；

1989年：解决P－GaN 生长；

1992年：日亚化学 (Nichia) GaN LED历史性突破；

1994年：GaN HEMT(High Electron Mobility Transistors)出现了高电子迁移率的蓝光GaN基二极管。

由于GaN在高温生长时氮的离解压很高,目前很难得到大尺寸的GaN体单晶材料,所以只能在其它衬底上进行异质外延生长。在各种生长技术中金属有机化学汽相沉积(MOCVD)和分子束外延技术(MBE)已经成为制备GaN及其相关三元、四元合金薄膜的主流生长技术。MOCVD方法的生长速率适中,可以比较xx地控制膜厚,特别适合于LEDs和LDs的大规模工业化生产。目前已经成为使用最多,生长材料和器件质量{zg}的方法。美国的EMCORE和AIXTRON公司以及英国的Thomas Swan公司都已经开发出用于工业化生产的Ⅲ族氮化物MOCVD(LP-MOCVD)设备。 分子束外延(MBE)是一种用于单晶半导体、金属和绝缘材料生长的薄膜工艺。用这种工艺制备的薄层具有原子尺寸的精度,这是它的独特特征。原子逐层沉积导致薄膜生长。这些薄层结构构成了许多高性能半导体器件的基础。MBE现在是一种可进行大批量生产的技术。多晶片、高产量的MBE系统, Semicon V150系统, 用计算机控制进行自动化生产一次可以生长四个6 英寸,九个4英寸或16个3英寸晶片。单机年产量可以超过一万片的6英寸晶片。

氮化镓基蓝光LED的出现使全色显示成为可能。

全色LED显示系统特点：

1、RGB 三色均有16 bit灰度级

2、支持标准的VGA、NTSC、PAL、SECAM 视频系统,类似CRT动态显示信号输入选择：(1)TV、VCR、LD、DVD；(2)视频相机、RS232、调制解调器；(3)MPEG系统；

3、通过自敏感系统自动调节各种颜色亮度 1 ～ {bfb}；

4、具实时自检系统；

5、具柔性抗GAMMA修正；

6、具光纤数据传输能力；

7、具遥控通讯与定时软件；

8、水平广视角,无透镜可达170°；

9、屏幕尺寸可灵活设计；

10、实时60Hz图象无闪烁处理器；

11、可在强阳光、高温环境下使用；

12、模块化。易安装,耐恶劣环境,恒流电源驱动、低热,高功率效率,256级亮度调节,高精度CNC外罩设计。

目前,LED产业竞争的焦点集中在白光LED、蓝、紫光LD以及大功率高亮度芯片。白光LED是继白炽灯和日光灯之后的第三代电光源,是世界各地光源和灯具研究机构竞相开发、努力获取的目标,是未来照明领域的明星行业。白光LED的能耗仅为白炽灯的1/8,荧光灯的1/2,节约能源,而其寿命可长达10万小时。白光LED的无汞化,易回收,益于环境保护。因此各国政府均大力扶持白光LED的发展。美、日、欧盟等发达国家皆由政府成立专项,积极推行如：日本的“21世纪的光照明”计划,时间是从1998年~2002年,将耗费50亿日元推行半导体照明,目标是在2006年用白光LED替代50%的传统照明；美国的“国家半导体照明计划”,时间是从2000年~2010年,计划投资5亿美元；欧盟的“彩虹计划”,已在2000年7月启动,通过欧共体的资助,推广应用白光LED。目前,世界上掌握LED技术的新兴半导体企业纷纷和老牌照明灯制造商联手,抢占这个未来{zd0}的照明市场。

由于LED的节能特点，世界各国对LED的研发生产都极为重视。日本已经实现1998－2002年耗费50亿日元推行白光照明，预计2006年完成用白光LED照明替代50％的传统照明，整个计划的财政预算为60亿日元。美国2000年制定的“下一代照明计划”被列入了能源法案，计划从2000－2010年，投资5亿美元，用LED取代55%的白炽灯和荧光灯，预计到2025年，固态照明光源的使用将使照明用电减少一半，每年节电额达350亿美元，形成一个每年产值超过500亿美元的半导体照明产业市场。

未来5年，我国也将把半导体照明作为一个重大工程进行推动；而科技部也已批准上海、大连、南昌、厦门、深圳5地作为LED产业化基地。按这5大产业基地预计目标，我们估计，到2010年，整个中国LED产业产值将超过1500亿元。

我国在半导体照明领域已具备一定技术和产业基础。已经初步形成从外延片生产、芯片制备、器件封装集成应用的比较完整的产业链，现在全国从事半导体LED器件及照明系统生产的规模以上的企业有400多家，且产品封装在国际市场上已占有一定的份额。另外，我国具有丰富的有色金属资源，镓、铟储量丰富，占世界储量的70%－80%，这使我国发展半导体照明产业具有资源上的优势。

据国家新材料行业生产力促进中心提供的资料，我们整理的数据，目前，我国LED上游生产企业主要有深圳方大、厦门三安、上海蓝光、大连路美、江西联创、江西欣磊等；中游生产企业主要有深圳量子、河北鑫谷、宁波升普、杭州创元、杭州中宙、北京睿源等；下游生产企业主要有厦门华联、佛山光电、宁波爱米达、天津天星等。通过启动国家半导体照明工程，我国在两年多时间内取得了一系列技术创新与产业化方面的突破。

首先，在功率型高亮度发光二极管芯片关键技术方面，实现了功率型芯片的从无到有，改变了芯片全部依赖进口的不利局面，国产芯片目前占到国内市场37%的份额。其次，功率型白光封装也取得较大突破，基本达到国际产业化水平的40流明。此外，在半导体照明应用产品的系统技术集成开发方面有了较大进展。新开发的诸如功率型LED台灯、汽车灯、功率型LED太阳能庭院灯等百余种应用产品，已实现批量生产并有部分产品出口。

中国LED 产业近年发展迅速，据2006年出版的《中国电子工业年鉴》统计，2006年全国LED 的产量约为300亿只，比2005年约255亿增加了约17.6%。2002年、2003年、2004年及2005年全中国LED 产量分别约为152亿只、175亿只、210亿只及255亿只，比前一年度分别上升约15%、12%及21.4%。

　　中国LED 产业在2006年继续呈现稳步增长的趋势，产量占世界LED 总产量的12%。中国LED 产业的发展方向是重点发展超高亮度的红、橙、AlGaInP 材料和器件；蓝光GaN 材料和器件及红、绿、蓝三原色全彩色显示屏。

　　在「十一五」计划（2006年至2010年）的{dy}年，光电半导体在应用方面不断取得突破，已经成为一种蓬勃发展的新兴产业，LED 产业在2006年将有更突出的发展，预测「十一五」期间平均增长约24%，2010年产量目标约为800亿只。

　　为了适应市场对LED 需求的快速增长，中国已经在2001年将LED 分类为31项国家鼓励发展的电子产品之一和20种鼓励外商投资的电子产品和技术之一，重点予以发展。

　　2006年度分别从LED 晶片、LED 器件及LED 应用产品三方面发展看，LED晶片仍然主要靠进口，增长幅度约8%；LED 器件增长幅度远比预测的要好，没有回调且仍平稳增长，增幅约16%，生产主要是从后道封装为主；就LED 应用产品而言，LED 显示屏特别是室外全彩屏、交通灯、汽车灯方面发展迅速，增幅约达35%。超高亮度白光LED晶片来源、封装工艺技术、材料成本方面在2006年均有较大的突破，未来将xx照明领域从传统方式向固体照明方式转化。

LED历史

自20世纪初期，科学家们就不断寻找能够发光的各种物质。1907年，亨利•约瑟夫•让德发现碳化硅（SiC）能够发光。在接下来的50年中，不断有科学家发现能够发光的化合物。到了20世纪50年代，随着对砷化镓（GaAs）研究的不断深入，LED的发现终于水到渠成。1、贝尔实验室、惠普、IBM、孟山都及RCA等公司在20世纪60年代首先开始了LED的研究。惠普和孟山都{zx0}在1968年推出了基于镓砷磷的商用红光LED。在70年代早期，随着德州仪器、惠普和Sinclair等公司推出计算器和电子表等全新的产品，LED应用暴增。其它诸如指示灯和字母数字显示器等应用很快成为LED的主流应用，并延续至今。2、LED技术背景

顾名思义，LED就是会发光的二极管。二极管是最基本的半导体组件，其作用是在一定可控的范围内导电。最简单的二极管由电的不良导体构成，并对其进行改性（掺杂）以增加自由电子。高电子含量材料（称为N型材料）与低电子含量材料（称为P型材料）相连，为自由电子流动建立了通路。这个连接被称为PN连接。 LED就是拥有PN连接的二极管半导体，在通电后释放光子。该过程被称为注入发光，发生于电子从N型材料填充到P型材料低能量孔的过程中。高能电子进入低能量孔时会释放能量，产生光子。P型和N型材料层所使用的材料，以及两者之间的间距决定了生成光线的波长和能量水平。有多种材料可以用来生产LED，而目前比较普遍的应用是砷化铝镓(AlGaAs)、xxx铟镓(AlInGaP)和氮化铟镓(InGaN)。xxx铟镓一般用来产生红光和黄光；而氮化铟镓一般用来产生蓝光和绿光——这些材料生成的光子都在可视光谱之内。结合新的生产架构，它们可以被做成极亮的LED，用于一般照明和汽车照明。一些架构开始应用额外的磷化物以生成白光，凭借极低的能量消耗和更长的寿命与普通白炽灯和荧光灯展开竞争。

全球LED产量已达每月40亿只左右，主要生产厂商集中在台湾、日本和美国，而台湾地区以占全球总产量50%的份额居于xx。多数厂家只是对LED晶粒进行封装，只有少数几家有能力实际生产LED晶粒。图1描述了LED市场中低亮度和高亮度LED各自所占的份额。

图 1 -LED市场细分

LED技术突破近来晶粒材料和封装生产方面的创新使LED亮度达到极高水平。基板使用了新的材料，提高了导热性能，从而吸收更多的能量，发出更亮的光。亮度的提升带来了新的LED应用，如汽车照明、交通信号，以及{zx1}的电视显示屏。图2描述了新的架构。

图 2- 基本

LED构造xxx铟镓和氮化铟镓生产水平的显着提升使蓝光和绿光的亮度分别得以提高，而其它颜色（如琥珀和青色）也随即问世。这些改进使整个系统能以等同于利用普通灯泡技术的亮度忠实地再现色彩，且寿命更长。其它的性能改进包括系统层的特性，如瞬时显像，无水银，无色彩刷新伪像，动态可调亮度，以及更宽的色域。图3将LED和通用参考标准 (Rec. 709)的色域范围作了比较。

图3 - LED色域

LED照明的色域非常宽（比高清电视的色彩标准[Rec. 709]宽40%），因而色彩的忠实度更高。对于寿命和色彩还原度都有极高要求的电视机产品而言，LED技术尤其具有吸引力。随着LED技术的持续发展，其对于电视机产业的影响也与日俱增。图4描述了LED技术的演进，以及未来几年的亮度效率。