LED制造技术与应用(一)

一. 二. 三.
认识LED 光学与照明的基础知识，半导体的基础知识 LED的发光原理，结构和特性
课 程 主 要 内 容
四. LED芯片的类型和工艺流程
五. LED的封装介绍
六. 白光LED的制作 七. LED的技术指标和测量方法 八. 与LED应用有关的技术问题(散热，二次光学设计，ESD)介绍 九. 十. LED的相关应用 大功率LED的介绍
十一.国内外LED技术与产业现状及发展趋势 十二. OLED的介绍
(一) 认识LED
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. LED产品的应用 光源的历史 LED的发展历程 LED的结构及分类 白光LED的制作 LED产业链的构成 LED的发展趋势
1. LED产品的应用
LED照明除了比用常规照明至少节能60%以外，还拥有长 寿命、易集成、快响应、利环保、光分布易于控制、色彩丰 富等优势。以“水立方”为例，仅使用LED灯的“水立方” 景观照明工程，预计全年可比传统的荧光灯节电74.5万千瓦 时，节能达70%以上。
CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp
CCFL灯管发光原理
当给予灯管高电压时，灯管电极射出电子，由电极冲出的电
子受电界的影响而运动，因而获得动能。当这些拥有相当动
能的高速电子与管内水银撞击时，此状态下之水银分子瞬间 释出所增得的能量，由不安定之状态急速返回原来之安定状 态，此时放出的能量即以紫外线放射出 (以波长253.7nm最 为强烈)，此紫外线激发内管壁涂布之荧光体，荧光体中的
中文名称：荧光灯 英文名称：fluorescent lamp 定 义：利用低压汞蒸气放电产生的紫外线激发涂在 灯管 内壁的荧光粉而发光的电光源，属于 低气压弧光放电光源。
1974年，荷兰飞利浦研制成功了三色光荧光粉氧化钇（发红光，峰值波长为611nm）、 多铝酸镁（发绿光，峰值波长为541nm）和多铝酸镁钡（发蓝光，峰值波长为450nm）按 一定比例混合成三基色荧光粉（完整名称是稀土元素三基色荧光粉），是单端紧凑型节能 荧光灯(灯管、镇流器和灯头一体)出现的基础。
技术进步在增长中扮演决定性角色
新技术的发明发现是新产品快速涌现、发展，直至形成一个行业的前提，技术的不 断革新和推进，则是行业爆发性增长的基础。 IT 行业是爆发式增长的典型，早在1970s，英特尔的创始人摩尔就提出了著名的“摩 尔定律”，即：集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18 个月就翻一番；微处 理器的性能每隔18 个月提高一倍，而价格下降一倍；用一个美元所能买到的电脑性 能，每隔18 个月翻两番。 LCD 显示器行业过去十年间生产线的世代演变也证实了这一点。从第一代衍生至第 四代，几乎每4.2 年，玻璃基板的面积就会增加一倍。从第四代厂之后，由于超大尺 寸面板的需求激增，第四代至第七代基板的变化，平均每两年基板面积就会增加一 倍，速度比半导体芯片还要快。 技术的快速进步使新兴行业产能快速扩 张，供给曲线不断往右移动，从S1 到S2 再到S4。在同样的价格下，供给放大数 倍。由于需求一时跟不上，部分企业开 始亏损，退出行业竞争，供给曲线回归 到S3 的水平。
梦 幻 五 环 (4 万 颗 LE D)
相信奥运会开幕 式的“梦幻长卷”和 “梦幻五环”大家还 记忆犹新，它被展现 在一个4564平方米的 巨大LED大屏幕上， 这是迄今为止世界上 最大的单体全彩色大 屏幕，升入空中的 “梦幻五环”，则是 由4.5万颗LED灯编排 而成的。
2. 光源的历史
电子蓄存能量后瞬间又将其释出，同时放出波长较长之可视
光。简言之为藉荧光体的作用将可视范围以外的紫外线转 换为可视光。出发启动电压范围500~1200V，正常工作电压 在40~100V之间。低压放电可以产生11000~13000K的高温。
中文名称：卤素灯 定义：亦称钨卤灯。原理是在灯泡内注入碘或溴等卤素 气体(代替惰性气体和真空)。在高温下，升华的钨丝与 卤素进行化学作用，升华的钨会重新凝固在钨丝上，形 成平衡的循环，避免钨丝过早断裂。因此卤素灯泡比白 炽灯更长寿。
(b)
5. 白光LED的制作
6. LED产业链的构成
LED Lighting Chain
7. LED的发展趋势
LED 正在重演新兴产业的故事
LED 做为一种新的产品，一种新的照明方式和一个新兴的行业，虽然拥有广 阔的发展前景和巨大的商机，但目前也碰到不少问题。这些也是所有新兴爆 发式增长产业共同面临或曾经面临的问题，但我们相信，前途是美好的，道 路是曲折的。
3. LED的发展历程
1907年
Henry Joseph Round第一次在SiC里观察到电致发光现象
20年代 Bernhar Gudden和Robert Wichard 在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的黄磷发光
50年代 英国科学家使用砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED(液氮中) 第一个商用LED应用于感应和光电领域(不可见的红外光) 1962年 GE、Monsanto、IBM联合实验室开发出发红光的半导体化合物GaAsP。 1965年 第一款商用LED(使用锗材料制成) 随后Monsanto公司和HP公司推出用GaAsP材料制作的商用LED(效率0.1lm/W)， 利用氮参杂工艺使GaAaP器件的效率1lm/W，并且能发出红，橙，黄色。 具有相同效率的GaP绿色芯片LED推出。 GaAlAs的使用使得第一代高亮度的LED的诞生， 先是红色(101lm/W)，接着就是黄色，最后为绿色。
资料来源：东方证券研究所 人类照明历史的n次革命
人类的诞生和照明的起源几乎同时，在某种意义上，人类的诞生 甚至是由照明进步引起，那就是照明的第一次革命——火（fire） 的出现。燃烧大部分的能量都以红外线的形式辐射出去，发光效 率极低。 直到1879 年，爱迪生发明了用炭丝做灯丝的世界上第一盏白炽灯 （Incandescence），开始了人类照明史上的第二次革命。由于仍 然是由灯丝发热产生可见光照明，白炽灯的发光效率仍然偏低， 电能转换成光能的效率不到5% 照明的第三次革命来自荧光灯（Fluorescence），时间从20 世纪40 年代开始。荧光灯是冷光源，能量转换效率比白炽灯提高了很多， 达到25%，寿命也提高到1000 小时。 LED 照明发韧于20 世纪60 年代，最初的GaAsP 发光二极管发光效率 和亮度较低，只能用作仪表指示灯。随着二十世纪下半叶技术的快 速进步特别是新材料的不断出现，LED 的发光效率和能量转换效率 都在快速提高。到2000 年前后，效率指标已经达到并超过了荧光 灯，被视为人类照明的第四次革命。
1968年 1971年 80年代
90年代 采用铟铝磷化镓AlInGaP生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED 1992年 第一个有历史意义的蓝光LED也出现90年代早期(日亚化学中村修二) 90年代 中期出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓Led。
1996年 高亮度白光LED出现(InGaN蓝光芯片+YAG荧光粉) 1968年，中科院长春物理所研制开发了国内第一只 LED，我国LED材料和器件正式起步
中文名称：白炽灯 英文名称：incandescent lamp 定 义：电流加热发光体至白炽状态而发光的电光源，属于 黑体发热光源
1845年 1878年 1879年1月 1879年10月21日 1880年 1908年 ….. 2012年~2020
辛辛那提的斯塔尔提出可以在真空泡内使用碳丝 真空泵的出现 英国的斯旺发明的白炽灯当众试验成功 美国爱迪生采用碳化棉线作灯丝，点亮了10多个小时 爱迪生又研制出碳化竹丝灯，同年10月，爱迪生设厂 美国库利奇试制成功现代的钨丝白炽灯 (形状，气氛) 禁用时间表
5、1994年，中村修二研制出了第一只GaN基高亮度蓝色发光二极 管。 用途：由于蓝光LED的出现，人们首次实现红黄蓝LED的全色显示， 从90年代中期开始，许多广告、体育和娱乐场所开始应用LED大屏 幕显示。 6、1997年，中村修二和美国人修博特先后研制出了GaN蓝色发光二极 管激发黄光荧光粉得到白光LED，效率不足10lm/W。 7、2000年，日亚报道了15lm/W白光LED， 8、2003年，日亚报道的光效达到60lm/W， 2006年3月，其光效达到 100lm/W， 9、2006年7月，Cree公司报道了130lm/W白光LED， 10、2006年11月，日亚报道的光效达到150lm/W，其效率已经超过节 能灯，实现了真正意义上的照明。 11 、2007年3月，美国CREE公司光效达到157lm/W，目前LED的效率向 200Lm/W前进。
4. LED的结构及分类
PN结特性：1.正向导通 2.反向截止 3.击穿特性 4. 在一定的条件下有发光特性
衬底的选择与比较：Al2O3，Si，SiC，GaAs，AlN，ZnO (p11)
源自文库
发光的峰值波长λ与发光区域的 半导体材料禁带宽度Eg有关,即 λ=hc/E≈1240/Eg（nm）
(a) LED芯片的分类方法不一，但相关技术指标是相同的。P20~22
中文名称：金属卤素灯 定义：又叫高强紫外卤素灯，属金属卤化物灯的一种, 由高压水银灯发展而来，由高纯度石英管材制造而成， 石英管材内充入了含有汞、氩、镓的碘化物、铁的碘化 物以及一些稀有金属卤化物， 主光谱有效范围在 350nm-450nm之间。
LED灯与传统照明光源的对比
Lighting Designer Considerations
可以上网的LED灯
上海世博会上，在半导体照明与信息化 示范馆内中科院半导体所展出了一盏外观普 通，发着柔和灯光的LED台灯，这盏“神灯” 虽然不会让你家财万贯，梦想成真，但是却 可以在它灯光的照耀下通过一个小小的接收 装置就可以让你的笔记本电脑轻松连入互联 网，不需要网线，也不需要无线网卡。
LED灯光之所以可以实现无线上网，就是因为他可以通过每秒200万次的开关动作来 发射调制编译过的信号，来传输数据，目前可以实现每秒2M的速度，之后可以实现 每秒上G，而不影响照明。这项技术已经在多国开始研发，比较大的实用地方是飞机 上，或者是在水下，但目前还不知道是否适合家庭使用，用于短时间信息传输应该 不错，比如困在井下的工人；距离商业化应该还有许多路要走。 除了连接网络外，LED灯还能充当各种家用电器的指挥官，实现对多种电器的开关和 调节的控制。这两项技术也已分别在世博会的航空馆和沪上生态家馆进行了展示。
LED制造技术与应用
(一)认识LED
2012-2-24
中文名称：发光二极管 英文名称：Light Emitting Diode 定 义：是一种固态的半导体器件， 它可以直接把电转化为光。 特 点：发光效率高，环保，不易破损，寿命长。
LED发光原理
LED固体照明的意义
目前约有21%的电源用于照明，如果能在固体照明领域 节省一半的能源，则会对人类的节约能源做出巨大的贡献。 LED的能量转换效率非常高，理论上只需要白炽灯10% 的耗能，与荧光灯相比，LED也只需要荧光灯50%的耗能。 中国绿色照明工程促进项目办公室做过一个专项调查，我国 每年照明用电3000亿度以上，用LED取代全部白炽灯或部分 取代荧光灯，将节省1/3的照明用电，这意味着节约1000亿 度电，相当于一个总投资超过2000亿元的三峡工程全年的发 电量。在使用寿命上，LED采用固体封装，结构牢固，寿命 达数万小时以上，LED的寿命是荧光灯的10倍，是白炽灯的 100倍，用LED替代荧光灯可避免荧光灯管可能破裂而溢出汞 所造成的二次污染。
1、1965年，全球第一款商用化发光二极 管诞生 ，效率0.1lm/W,比白炽灯低100倍， 售价45$/只。 2、1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺 使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙 光和黄色光。 3、1971年，GaP绿色芯片LED。 用途：指示用，长寿命10万小时，可靠 4、80年代AlGaAs技术使得LED效率达到10流明/瓦， 90年代的AlGaInP技术使得LED效率达到100流明/瓦。 用途：显示，信号用。用于室外的运动信息发布以及汽车的 高位刹车灯。