（微电子学与固体电子学专业论文）新型白光led的制备及配色研究.pdf

l 、，_ 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：查整盔塑 f lg q ：娑f 2 ：笪 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：立盔盟 导师签名： ir-iiir 湓叠11 ，】1， l i 摘要 摘要 白光l e d 与传统的光源相比具有明显的特点和优势，是实现绿色照明的有 效途径，代表了未来光源的发展方向，因此受到了全世界的广泛关注。目前白光 l e d 的核心技术大部分被国外公司所控制，发展自主创新的半导体照明技术有 着重要的意义。本论文围绕白光l e d 进行了相关的研究，提出了实现白光l e d 的新的器件设计思路，并对其基本工艺和特性进行了研究。本文的主要研究内容 包括以下几个方面。 ( 1 ) 基色光l e d 性能研究。 第一部分进行了a i g a i n p 基红光l e d 的制备，并分析了芯片尺寸对红光l e d 性能的影响。对于1 8 0 x 1 8 0 p m 2 、2 8 0 x 2 8 0 p m 2 和4 0 0 x 4 0 0 “m 2 这三种面积的芯片， 随着芯片尺寸的增大，l e d 能产生的最大光功率和最大外量子效率逐渐增大， 在相同的注入电流下，大尺寸的l e d 芯片将具有更低的正向电压。对于实验中 用到的g a p 窗口层较薄的芯片，尺寸的增加提高了有效注入电流在总电流中的 比例，使芯片能达到的最大外量子效率得到了提高。 第二部分进行了g a n 基单波长蓝光、双波长蓝绿光l e d 的制备，并分析 了双波长蓝绿光l e d 的光谱特性随注入电流的变化。对于蓝绿光双波长l e d ， 其光学性能对电流的变化有很强的依赖关系，蓝光和绿光发光峰强度的比值以及 峰值波长都随着注入电流的增大而发生变化，这在进行三基色白光l e d 的制备 时是需要考虑的问题。 第三部分利用正向电压法测量了红光和蓝光l e d 的结温。结温测量的结果 表明，随着注入电流的增大，l e d 的结温在不断升高，在相同电流下，蓝光l e d 的结温要高于红光l e d 的结温。 ( 2 ) 白光l e d 配色研究。 在c i e l 9 31 标准色度系统的基础上，根据光度学与色度学的基本原理，利用 v i s u a lc + + 6 0 软件进行了配色计算，得到了多种适合进行白光制备的两基色和 三基色的基色光组合。同时计算得到的白光的色品坐标、显色指数、光视效能等 参数。分析计算结果表明：两基色白光的显色指数和光视效能并不在同一个组合 下达到最大值，而三基色白光和两基色白光相比，显色指数明显提高。 ( 3 ) 新型白光l e d 的制备及测试分析。 利用g a a s g a n 直接键合的方法成功地制备了两基色单芯片白光l e d ，在 2 0 m a 的注入电流下，得到的白光色品坐标为( 0 3 7 0 5 ，0 2 7 4 9 ) ，光功率和发光效 率分别为3 5 1 4 m w 和2 9 6 1 m w ，在视觉上得到了白光，但存在着工作电压过高 的问题。在此基础上，对直接键合的方案进行了改进。改进方案后，利用垂直结 构多芯片混合的方法实现基色光芯片的堆叠，得到两基色白光l e d 键合界面不 摘要 存在压降，工作电压明显降低，色品坐标为( 0 3 5 9 8 ，0 3 0 2 0 ) ，发光效率为 5 1 9 6 1 m w ，发光效率和器件的可靠性得到了明显的提升。利用垂直结构多芯片 混合的方法更容易实现三基色的白光，当红光注入电流为2 5 m a ，蓝绿光注入电 流为6 0 m a 时，得到三基色白光色品坐标为( 0 3 3 3 0 ，0 3 2 4 1 ) ，显色指数为2 3 9 。 在降低工作电压的同时显色指数明显提高，色品坐标也更接近于等能白光点。 关键词：单芯片；三基色；白光l e d ；配色；结温 1 一 i 茁11 j a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a l l i g h ts o u r c e s ，w h i t e l e d sh a v eo b v i o u s c h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e s ，w h i c hc a nb ea ne f f e c t i v ea c c e s st oa c h i e v et h eg o a lo f g r e e ni l l u m i n a t i o na n dr e p r e s e n tt h ed e v e l o p m e n tt r e n d so fl i g h ts o u r c ei nt h ef u t u r e t h e r e f o r e ，w h i t el e d sh a v ea t t r a c t e dw o r l d w i d ea t t e n t i o n a tp r e s e n t ，m o s to ft h ek e y t e c h n o l o g yo f w h i t el e d si sm o n o p o l i z e db ys o m em u l t i n a t i o n a lc o r p o r a t i o n s ，s ot h e d e v e l o p m e n to ft h ei n d e p e n d e n ta n di n n o v a t i o nc o r et e c h n o l o g yo fw h i t el e d si s i m p o r t a n tt oi m p r o v et h ec o m p e t i t i o no ft h en a t i o n a li l l u m i n a t i o ni n d u s t r y i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h er e s e a r c hw o r kw a sc a r r i e do u to nt h eb a s i so fw h i t el e d s an e ww a y t og e tw h i t el e d sh a db e e np r o p o s e da n dt h ef u n d a m e n t a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s w e r es t u d i e d ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h en o v e lw h i t el e d sw a sa l s od i s c u s s e d t h em a i n c o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es h o w e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) i n v e s t i g a t i o no f a i g a l n p b a s e dr e dl e d s ，g a n b a s e dd u a l - w a v e l e n g t h b l u e g r e e nl e d s f i r s t l y , a 1 g a l n p b a s e dr e dl e d sw e r ef a b r i c a t e da n dt h ee f f e c to fc h i ps i z e so n t h ep e r f o r m a n c eo fr e dl e d sw a sa n a l y z e d t h r e er e dl e dc h i p sw i t ht h es a m e e p i l a y e rs t r u c t u r eb u td i f f e r e n ts i z e s ( 1 8 0 1 8 0 1 x m 2 ，2 8 0 x 2 8 0 1 x m 2a n d4 0 0 x 4 0 0 i - t m 2 ) w e r ef a b r i c a t e d t h em a x i m u mo p t i c a lp o w e ra n dm a x i m u me x t e r n a lq u a n t u m e f f i c i e n c y ( e q e ) w h i c hc a nb eo b t a i n e db yl e dc h i p si n c r e a s e d 、杭t ht h ec h i ps i z e s t h ef o r w a r dv o l t a g ew a sf o u n dt od e c r e a s ew i t ht h ec h i ps i z ei n c r e a s i n ga tt h es a m e f o r w a r dc u r r e n ti n j e c t i o n m o r e o v e r , f o rt h ec h i pw i t hat h i ng a pw i n d o wl a y e r , t h e p r o p o r t i o no fe f f e c t i v ec u r r e n tw h i c hw e r el o c a t e do u t s i d e o ft h em e t a lc o n t a c t i n c r e a s e da st h ec h i ps i z e s ，w h i c hr e s u l t e di nt h ei n c r e a s i n go fm a x i m u me q e s e c o n d l y , g a n - b a s e d s i n g l ew a v e l e n g t h b l u el e d sa n dg a n - b a s e d d u a l - w a v e l e n g t hb l u e g r e e n l e d sw e r ef a b r i c a t e da n dt h e c h a n g e o f e l e c t r o l u m i n e s c e n c e ( e l ) s p e c t r ao fg a n - b a s e dd u a l w a v e l e n g t hb l u e - g r e e nl e d c h i pa st h ei n j e c t i o nc u r r e n ti n c r e a s e dw a sd i s c u s s e d t h eo p t i c a lp e r f o r m a n c eo f d u a l - w a v e l e n g t hb l u e - g r e e nl e dh a das t r o n gd e p e n d e n c eo nt h e - i n j e c t i o nc u r r e n t , t h eo p t i c a lp o w e rr a t i ob e t w e e nb l u ea n dg r e e nl e dc h i p sa n dp e a l ( w a v e l e n g t h c h a n g e da st h ei n j e c t i o nc u r r e n ti n c r e a s e d ，w h i c hn e e dt ob ec o n s i d e r e dw h e nt h e y w e r eu s e dt of a b r i c a t ew h i t el e d l a s t ，t h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r eo fr e da n db l u el e dc h i p sw e r em e a s u r e db y f o r w a r dv o l t a g em e t h o d t h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r eo fl e d si n c r e a s e da st h ei n j e c t i o n c u r r e n ti n c r e a s e da n di ti sh i g h e rf o rt h eb l u el e dc h i pt h a nt h er e do n ew h e nt h e f k，一 北京工业火学丁二学硕i ：学位论文 c u r r e n tw a st h es a m e ( 2 ) s i m u l a t i o no fc o l o rm a t c h i n gf o rw h i t el i g h t s i m u l a t i o no fc o l o rm a t c h i n gf o rw h i t el i g h tw a sc a r r i e do u tb yv i s u ac + + 6 0 s o f t w a r eb a s e do nt h ef u n d a m e n t a lo fc o l o r i m e t r ya n dp h o t o m e t r y m u c hc o m b i n a t i o n o fb i c h r o m a t i ca n dt r i c h r o m a t i cw h i t el e d sw a sf o u n d ，t h ec o l o rr e n d e r i n ga n d l u m i n o u se f f i c a c yo fr a d i a t i o no fw h i t el e dw e r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h em a x i m u mo fc o l o rr e n d e r i n ga n dl u m i n o u se f f i c a c yo fr a d i a t i o nw e r en o tg o ta t t h es a m ec o m b i n a t i o n t h ec o l o rr e n d e r i n gw a sh i g h e rf o rt r i c h r o m a t i cw h i t el e d ( 3 ) f a b r i c a t i o na n di n v e s t i g a t i o no ft h en o v e lw h i t el e d s s i n g l e c h i pp h o s p h o r - f l e ew h i t el e db a s e d o nd i r e c tw a f e rb o n d i n gw e r e f a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l y a tt h ei n je c t i o nc u r r e n to f2 0m a ，t h ec i ec h r o m a t i c i t y c o l o rc o o r d i n a t eo ft h ew h i t el e di s ( 0 3 7 0 5 ，0 2 7 4 9 ) ，t h eo p t i c a lp o w e ra n dl u m i n o u s e f f i c a c yi s 3 514 m wa n d2 9 6 1 m w b u tt h eo p e r a t ev o l t a g ew a st o oh i g h ，w h i c h i n f l u e n c e di nt h et h e r m a l ，e l e c t r i c a la n do p t i c a lp e r f o r m a n c e i no r d e rt od e c r e a s et h e v o l t a g ed r o po fb o n d i n gi n t e r f a c e ，b i c h r o m a t i ca n dt r i c h r o m a t i cp h o s p h o r - f l e ew h i t e l e dh a db e e ni m p l e m e n t e d ，r e s p e c t i v e l y , b yu s i n ga d h e s i v eb o n d i n gs c h e m e t h e r e w a sn ov o l t a g ed r o po nb o n d i n gi n t e r f a c e ，s ot h eo p e r a t e v o l t a g ew a sl o w e re v i d e n t l y t h ec i ec h r o m a t i c i t yc o o r d i n a t ea n dl u m i n o u se f f i c a c ya r e ( 0 3 5 9 8 ，0 3 0 2 0 ) a n d 5 19 6 1 m wf o rt h eb i c h r o m a t i cw h i t el e d u s i n ga d h e s i v eb o n d i n gs c h e m ea t2 0 m a f o rt r i c c h r o m a t i cw h i t el e d ，a s2 5 m aa n d6 0 m aw e r ei n j e c t e di n t ot h er e da n d b l u e g r e e nl e dc h i p sa tr o o mt e m p e r a t u r er e s p e c t i v e l y , w h i t el i g h te m i s s i o nc o u l db e o b s e r v e dw i t hc i ec h r o m a t i c i t yc o o r d i n a t e s ( 0 3 3 3 0 ，0 3 2 4 1 ) w i t hc o l o rr e n d e r i n g v a l u eo f2 3 9 i tw a sf o u n dt h a tc o m p a r e dw i t ht h eb i c h r o m a t i cw h i t el e db a s e do n d i r e c tw a f e rb o n d i n g ，t h ec i ec h r o m a t i c i t yc o o r d i n a t e sw a sm o r ec l o s e dt ot h e s t a n d a r dw h i t el i g h tc h r o m a t i c i t yc o o r d i n a t e s ( 1 3 ，1 3 ) ，c o l o rr e n d e r i n gw a sm o r e h i g ha n do p e r a t i o nv o l t a g ew a sm o r el o w e rf o rt r i c h r o m a t i cw h i t el e db a s e do n a d h e s i v ew a f e rb o n d i n gs c h e m e k e yw o r d s ：s i n g l ec h i p ，t r i c h r o m a t i c ，w h i t el e d ，c o l o u rm a t c h ，j u n c t i o nt e m p e r a t u r e 1 v 詹劳1， 、1 1 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 - 1 1 半导体l e d 的发展历史及应用1 1 1 1 半导体l e d 的发展历史1 1 1 2 半导体l e d 的优点及应用2 1 1 3 半导体l e d 的发展现状及存在的问题4 1 2 本课题的研究背景及意义一5 1 3 本论文的主要工作6 第2 章半导体l e d 的基本理论9 2 1 半导体l e d 的发光原理9 2 2 半导体l e d 的电学和光学特性1 0 2 2 1 半导体l e d 的电学特性1 0 2 2 2 半导体l e d 的光学特性1 1 2 2 3 半导体l e d 各种效率的定义1 2 2 3 白光l e d 的实现方法1 4 2 3 1 荧光粉转换白光l e d 一1 4 2 3 2 多芯片混合白光l e d 一1 4 2 3 3 单芯片白光l e d 一1 5 2 3 4 本论文提出的实现白光l e d 的方案1 6 2 4 本章小结1 6 第3 章a i g a l n p 基和g a n 基l e d 芯片的制备及测试分析1 7 3 1a l g a i n p 基l e d 芯片的制备及测试分析1 7 3 1 1 外延片结构及制备工艺流程1 7 3 1 2 芯片尺寸对a 1 g a l n p 基红光l e d 性能的影响18 3 2g a n 基l e d 芯片的制备及测试分析2 3 3 2 1 外延片结构及制备工艺流程2 3 3 2 2g a n 基双波长蓝绿光l e d 光谱特性实验分析2 4 3 3l e d 结温的测量2 9 3 3 1l e d 的正向压降随结温的变化关系2 9 3 3 2 电压温度系数的测量3 1 3 3 3l e d 的结温随注入电流的变化3 3 3 4 本章小结3 4 第4 章白光l e d 配色研究3 5 4 1 光度学与色度学的基本理论3 5 4 1 1 人眼的视觉特性3 5 4 1 2 配色的理论基础3 6 4 1 3 光度学基本概念的定义3 7 4 1 4 色度学基本概念的定义3 9 4 1 5c i e l 9 3l 标准色度系统简介4 0 v 北京丁业大学丁学硕十学位论文 4 2c i e 色度计算方法4 2 4 2 1 色品坐标的计算4 2 4 2 2 颜色相加的计算4 3 4 2 3 显色指数的计算4 4 4 2 4 色温和相关色温的计算4 6 4 2 5 光视效能的计算4 7 4 3 配色计算的实现及结果分析4 7 4 3 1 配色计算应用程序的实现4 7 4 3 1 两摧色白光配色计算结粜5 0 。 4 3 2 三基色自光配色计算结果51 4 4 本章小结5 3 。 第5 章新型单芯片白光l e d 的制备及测试分析5 5 。 5 1g a a s g a n 直接键合单芯片白光l e d 的制备及测试分析5 5 5 1 1 实现原理及制备工艺流程5 5 5 1 2 直接键合两基色单芯片白光l e d 的实现及测试分析5 7 5 2 垂直结构多芯片混合白光l e d 的制备及测试分析6 2 5 2 1 实现原理及制备工艺流程6 2 5 2 2 垂直结构多芯片混合两基色白光l e d 的实现及测试分析6 4 。 5 2 3 垂直结构多j 占片混合三基色自光l e d 的实现及测试分析6 8 5 3 本章小结7 4 结论一7 5 参考文献7 7 攻读硕士学位期间所发表的学术论文8 1 。 致谢8 3 擘1 j 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 半导体l e d 的发展历史及应用 1 1 1 半导体l e d 的发展历史 l e d 是发光二极管( l i g h t e m i t t i n gd i o d e ) 的简称，是一种可以将电能转化 为光能的电子器件并具有二极管的特性，其发光机理是基于半导体p n 结中注入 的电子与空穴的辐射复合，所产生光的颜色依赖于l e d 所使用的量子阱材料。 在所有可见光的l e d 中，红光l e d 的发展要早于其他颜色的光。 人们对l e d 发光的研究可以追溯- n - - 十世纪初。早在1 9 0 7 年，h e n r yj o s e p h r o u n d i 】发现了碳化硅( s i c ) 产生的发光现象，但由于s i cl e d 的电光转换效率 很低，人们先后都停止了对其的研究。1 9 6 2 年，美国通用电气( g e ) 、孟山都 ( m o n s a n t o ) 和国际商用电器( i b m ) 公司的联合实验室利用液相外延( v p e ) 的方法在g a a s 衬底上生长出了g a a s p 半导体化合物材料，通用电气公司的 h o l o n y a k 2 j 博士利用这种材料制成了红光l e d ，但是其发光效率很低，远不足 0 1 l m w 。到了1 9 6 5 年，红光l e d 的发光效率接近0 1 l m w ，可以作为指示灯使用。 1 9 6 8 年，人们通过氮掺杂工艺，使g a a s pl e d 的发光效率显著提高，可达到 l l m w 。二十世纪六十年代后期，m o n s a n t o 和h p 公司实现了g a a s pl e d 的大规模 商业化生产。随后，l e d 技术的研发受到世界各国的高度重视。二十世纪七十年 代中期，g a p 绿光l e d 诞生，但由于g a p 属于间接带隙的半导体材料，l e d 器件 的内量子效率很难得到提高。在进入二十世纪八十年代之前，l e d 的颜色主要局 限于红、黄、绿三种，发光强度停留在1 m c d ( 注入电流为1 0 m a 时) 的水平上， 发光效率约为l l m w 。这一时期的l e d 应用范围很窄，主要应用在对亮度要求不 高的电子产品的指示灯上，人们通常把1 9 8 0 年以前l e d 的发展与应用称为l e d 的 指示应用阶段。进入二十世纪八十年代以后，a i g a a s 材料的生长技术的发展使 得高质量a 1 g a a s g a a s 量子阱得以应用在l e d 结构中，载流子在量子阱中的限制 效应大大地提高了l e d 的发光效率，使红光l e d 的光效提高了近十倍。发光效率 的提高使得l e d 的应用领域在这一时期得到了极大的扩展。二十世纪八十年代后 期，特别是进入到九十年代以来，随着金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 外 延技术的成熟，人们采用四元系a i g a l n p 材料制造出波长范围从红光到黄绿光的 可见光l e d 3 - 5 j 。i n 组分为o 5 的a i g a l n p 材料可以和g a a s 衬底实现很好的晶格匹 配，使得l e d 的内量子效率得到了极大的提高，同时，研究的重点也从内量子效 率逐渐转向外量子效率。美国h p 公司利用倒金字塔结构( t i p ) 使橙红色光的外 北京工业大学工学硕l ：学位论文 量子效率达到5 0 以上，发光效率达到了1 0 0 1 m w 1 6 j 。另外，d b r 技术、透明衬 底技术、反光镜技术、表面粗化等技术的应用使得l e d 的外量子效率得到了极大 的提高 7 - 1 0 1 。l e d 除了用于室外显示屏外，还在交通信号灯和汽车信号灯等领域 得到应用。 蓝光、绿光和白光l e d 的发展相对于红光比较缓慢。g a n 单晶材料最早是由 m a r u k a 和t i e t j e n 用h v p e 的方法在蓝宝石衬底上生长的。由于蓝宝石衬底与g a n 之间存在较大的品格欠配和热失配，使得g a n 外延薄膜严重龟裂，并且p 型掺杂 也未能解决。1 9 7 1 年，美国r c a 实验室的j p a n k o v e 研究发现了氮化物材料中形 成高效蓝光发光中心的杂质原子，并研制h j m i s 结构的g a n 蓝光l e d 器件j 。他 们的成功激起了人们对g a n 材料研究的极大兴趣。二十世纪八十年代后期， a m a n o 等人以蓝宝石为衬底，采用a i n 和g a n 缓冲层，获得了高质量的g 州外延 层，解决了g a n 薄膜的外延生长问题。1 9 8 9 年，a m a n o 等人第一次在生长了掺 m g 的g a n 后，用电子束进行照射得到了p 型g a n 单晶。g a n 单晶制备及p 型掺杂 的问题解决后，1 9 9 1 年，日亚公司的n a k a m u r a 研制成同质结g a n 基蓝光l e d ，峰 值波长和外量子效率分别为4 3 0 n m 和1 0 1 8 。此后，n a k a m u r a 在氮化物研究领域 不断取的突破。1 9 9 2 年，他在真空或氮气环境下对掺m g 的g a n 进行退火处理， 获得了很好的p 型g a n 材料，同年又在g a n 单晶膜上生长了高质量的i n g a n 。1 9 9 4 年制作了亮度超过1 0 0 0 m c d 以i n g a n 为有源区的双异质结的蓝光l e d 。1 9 9 5 年通 过控$ i l n g a n 中的i n 组分获得了发光波长从5 0 0 n m 至u 5 9 0 n m 的蓝绿、纯绿和黄绿 l e d 。由此，人们看到了白光l e d 的曙光和g a n 蓝光l e d 的巨大商机。1 9 9 7 年， s c h l o t t e r 等人和n a k a m u r a 等人先后发明了用蓝光芯片加黄绿光荧光粉封装成白 光l e d 1 2 】。2 0 0 1 年，k a f m a n n 等人用紫外光l e d 激发三基色荧光粉得到白光 l e d | 1 3 j 。至此白光l e d 从理论构想走向了实际应用。 1 1 2 半导体l e d 的优点及应用 半导体l e d 发光是将电能直接转化为光能，而不是通过热能使物体升温而 发光的，因而l e d 是一种固体冷光源。可以说，l e d 是继白炽灯、荧光灯和h i d 灯之后的第四代新型光源。l e d 光源的出现和发展将引起照明领域中的一次革 命，具有划时代的意义。 半导体l e d 的优点和特点可以概括为以下几个方面【1 4 j ： ( 1 ) 节能、环保性好。l e d 的眩光小，辐射主要集中在可见光区，光谱中 没有多余的紫外线和红外线。不含汞等有害物质，易于运输、安装和使用，废弃 物可回收，没有污染。此外，l e d 在低电压、低电流的条件下工作，理论上电 光转换效率接近1 0 0 ，因而发热量低，耗电量小。与其他光源相比，l e d 最具 、 第1 章绪论 环保性，是一种典型的绿色照明光源。 ( 2 ) 使用寿命长。l e d 光源的寿命通常可达到5 万1 0 万小时，远超过其 他光源的使用寿命。l e d 光源的机械强度大，耐振动，抗冲击，是一种长寿型 电光源。 ( 3 ) 单色性好，色彩鲜艳丰富。l e d 光源的灯光清晰柔和，利用计算机控 制技术可使r g b 三基色具有2 5 6 级灰度，并且可以任意组合，实现多种颜色。 ( 4 ) 体积小，重量轻，应用灵活。易于设计轻薄、短小的灯具和产品，应 用范围广泛。 ( 5 ) 响应速度快。白炽灯加电后需要1 4 0 - - - 2 0 0 m s 的时间才能达到设定的亮 度，而l e d 光源通电后无需热启动时问，灯亮时间仅约为6 0 n s ，应用在汽车的 刹车灯可极大地减少交通事故的发生。 l e d 本身所具有的特点和优点使得l e d 在许多领域得到了广泛的应用，并 且随着l e d 性能的提升，其应用领域得到不断地扩大。目前，l e d 主要应用在 以下几个方面： ( 1 ) 指示应用。自l e d 在二十世纪六十年代闯世后的1 0 多年中，l e d 主 要用作电子产品的指示灯，虽然目前l e d 己发展到全彩应用和普通照明阶段， 但是l e d 的指示应用不但没有消失，而且更加广泛，几乎随处可见，如交流开 关指示灯、电池充电状态指示灯、家用电器工作状态指示灯等。 ( 2 ) 在i _ c d 背光照明中的应用。目前，l e d 被广泛地应用到手机等便携式 产品中。在显示器背光源领域，l e d 相对于传统的冷阴极荧光灯( c c f l ) 背光 源具有更强的色彩表现力，更优异的亮度均匀性，更好的稳定性，更长的寿命和 更薄的厚度，并且由于l e d 不存在c c f l 中含有的金属汞，因此更加环保。l e d 在大尺寸l c d 背光应用中取代c c f l 已成为一种趋势。 ( 3 ) l e d 显示屏的应用。l e d 显示屏产生于二十世纪八十年代后期，并在 全球迅速得到广泛应用，目前已发展成为重要的现代信息发布媒体手段和平板显 示器的主流产品之一。l e d 显示屏具有尺寸大、视角广、亮度高和色彩艳丽等 特点，在金融、交通、体育、广告等领域得到广泛应用，如证券交易、金融信息 显示、机场航班动态信息显示、体育场馆信息显示等。 ( 4 ) 交通信号灯应用。随着各种颜色高亮度l e d 的研制成功和商品化， l e d 已成为交通信号灯传统光源的替代产品。l e d 信号灯耗电量小，节能效果 显著，工作寿命长，一般可使用3 5 年。此外，l e d 信号灯还具有辨识度高、 响应速度快、可靠性高、安全性好、维修和维护费用低等优点。 ( 5 ) 景观照明。l e d 的工作电压低，功耗小，应用在景观照明上可有效地 节约用电，l e d 还因其光色特性及体积小、隐蔽性好、组合变化多、设计灵活 性好等特点在景观照明应用中具有很多优势。目前，北京、上海、南京、苏州等 北京t 业大学t 学硕。i ：学位论文 城市均在城市景观照明中应用了l e d 光源。 ( 6 ) 在汽车中的应用。l e d 在现代汽车上的应用非常广泛。目前除了前照 灯外，汽车外部采用l e d 的灯具有高位制动灯、低位制动灯、雾灯、倒车灯、 牌照灯、车门状态灯及尾灯等。汽车内部使用l e d 灯主要有仪表面板背光灯、 阅读灯及车门、音响、空调指示灯等。l e d 以其卓越的安全性、可靠性、环保 性小j i j - i - i - - h 匕 1 , , 比给汽车车灯的升级和革命带来了契机。 ( 7 ) 普通照明。将l e d 应用在普通照明领域将极大地节约耗电量。随着 功率型白光l e d 的发展，人们看到了l e d 在普通照明领域广泛应用的曙光，但 是日i i i 照明级的大功率l e d 还不能与现有的照明光源相比，其应用仅局限于局 部照明、装饰照明、轮廓照明等方面。专家根据l e d 光源在理论和实践上已经 显示出来的优异性1 i ：j r , 斥l l 突出的节能及环保特点，预测在2 l 世纪上半叶，以l e d 为代表的新型光源将会逐步发展成为电光源的主流产品。 1 1 3 半导体l e d 的发展现状及存在的问题 目前，l e d 外延片、芯片已经肜成了以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的 三足鼎立的全球市场与产业格局，并呈现出以日本、美国、德国为产业代表，中 国台湾地区、韩国紧随其后，中国大陆、马来西亚等电子制造基础良好的国家和 地区积极介入这样一个梯次分布状况。美国和日本在l e d 新产品和新技术领域 拥有创新优势，主要从事最高附加值产品的生产；欧洲在l e d 应用技术领域的 开发和吸收最新技术转换方面拥有优势，其产品的附加值较高；中国台湾地区在 近1 0 年中迅速崛起，在l e d 芯片产量和l e d 封装方面占据全球第一的位置。 日本、美国和欧洲这些全球l e d 技术与产业核心国家和地区始终处在激烈的竞 争状态之中，它们之问的差距处于不断地动态变化之中。 从企业优势看，l e d 的主要生产厂商有日本的n i c h i a 、t o y o d ag o s e i ，美国 的c r e el i g h t i n g 、l u m i l e d s 、g e l c o r e ，德国的o s r a m 等。在技术与市场竞争力和 定位方面，n i c h i a 、t o y o d ag o s e i 和c r e el i g h t i n g 拥有蓝光和白光等l e d 的技术 领先地位；而l u m i l e d s 和o s r a m 则在大功率白光l e d 等方面具有领先优势：美 国的g e l c o r e 公司除重点发展白光l e d 外，还在l e d 灯具设计方面处于国际领 先地位。 到目前为止，l e d 技术研发都是以普通照明为最终的应用目标，从白光l e d 的发展速度来看，其成为新一代普通照明光源已成定势。安捷伦公司的前任科学 家r o l a n dh a i t z 从1 9 6 5 年l e d 商业化至今的发展历程观察得出，l e d 的价格每 1 0 年将为原来的1 1 0 ，性能则提高2 0 倍，这个规律被业界称为h a i t z 定律。目 前，照明级商品化的白光l e d 的光效通常为3 0 - - 4 0 1 m w ，有的达到5 0 1 m w 以 或 j 、 i 第1 章绪论 上，远超过白炽灯( 1 5l m w ) 和卤钨灯( 2 0 】m w ) ，正向荧光灯( 7 0i i l l w ) 逼 近。实际上，2 0 0 3 年底，日本日亚公司制备的白光l e d ，光效达到6 0l m w ， 美国c r e e 公司用s i c 蓝光l e d 制备的白光l e d ，光效达到7 0l m w 。2 0 0 6 年6 月，日本日亚公司推出了光效为1 0 0l m w 的工程样品，2 0 0 7 年6 月美国c r e e 公司宣布推出在3 5 0 m a 下最小光通量为1