无机材料在LED中的应用

1、无机材料在无机材料在LEDLED的应用、原理、的应用、原理、 最新成果、研究热点最新成果、研究热点 鸿利光电鸿利光电中国白光LED器件领军者。国家高新 技术企业，国家半导体照明工程研发及产业联盟常 务理事单位，中国半导体照明技术标准工作组成员 单位。鸿利光电注册资本24547万元，拥有10万多 平方米花园式工业园，4万多平方米高标准无尘生 产车间，采用最先进的LED自动化生产设备，主要 生产中、高档COB、HIGH POWER LEDs、SMD LEDs等优质器件，应用范围包括通用照明、背光 源、汽车信号/照明、特殊照明、显示屏等领域。 鸿利光电LED器件在显指、光效、稳定性等方面的 指标均处

2、于国内领先水平，是国内率先通过美国环 保总署(EPA)认可的第三方IES LM-80测试的LED封 装企业。“光电无界，智领未来！”公司拥有专业 的管理、生产、技术研发、营销团队以及良好的软 件和硬件设施。 上海宜美电子科技有限公司 三安 太阳能警示灯 鸿利光电公司 舞台灯系列专用LED光源，拥有国内首创专利产品 COB RGB，应用领域：LED长条灯、摇头灯、Par灯、投光灯、 聚光灯等。 目录目录 一、一、LEDLED的发展历程和现状的发展历程和现状 二、二、LED的原理、分类和应用的原理、分类和应用 三、无机材料在三、无机材料在LEDLED中的应用中的应用 四、四、LEDLED最新研究成

3、果、研究热点最新研究成果、研究热点 一、LED的发展历程和现状 基本概念基本概念 特点特点 发展历程发展历程 LED是英文light emitting diode（发光二极管），是由数层很薄的 掺杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而 形成带正电的“空穴”，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并 释放出能量，从而辐射出光芒。 LED作为21 世纪的新型固态光源，具 有体积小、节能环保、响应速度快、 使用寿命长等优点，被认为是“第四 代绿色照明光源”。 LED灯 welcome to use these PowerPoint templates, New Content desig

4、n, 10 years experience 1965年世界上的第一只商用化LED诞生，用锗制成，单 价45美元，为红光LED，发光效率0.1 lm/w。 1968年利用半导体搀杂工艺使GaAsP材料的LED的发光 效率达到1 lm/w, 并且能够发出红光、橙光和黄光。 1971年出现GaP材料的绿光LED，发光效率也达到1lm/w。 80年代，重大技术突破，开发出AlGaAs材料的LED，发 光效率达到10 lm/w。 1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，发光效 率达到40-50 lm/w。 1990年基于SiC材料的蓝光LED出现，发光效率为0.04 lm/w。 90

5、年代中期出现以蓝宝石为衬底的GaN蓝光LED，到目 前该技术仍为主流技术。 发展历史 welcome to use these PowerPoint templates, New Content design, 10 years experience 1、 电压： LED灯珠使用低压电源，供电电压在 2-4V之间，更安全 的电源，特别适用于公共场所； 2、电流：工作电流在0-15mA，亮度随电流的增大而变亮。 3、效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80%。 4.、适用性：很小，每个单元 LED 小片是 3-5mm 的正方形，所以可 以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。 5、稳定性：

6、 10 万小时，光衰为初始的 50%。 6、响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级， LED 灯的响应时间为 纳秒级。 7、 对环境污染：无有害金属汞。 8、颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法， 调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿蓝橙多色发光。如小电流时 为红色的 LED ，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后 为绿色。 9、 价格： LED灯珠的成本价格相应对于传统新光源来说要贵些，较 之 于白炽灯，几十只白光 LED 的价格就可以与一只白炽灯的价格相 当，而通常每组信号灯需由上 300500 只二极管构成。 特点 二、二、LED的原理、分类和应用 它的基本结构

7、是一块电致发光的半导体材料，置于 一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起 到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。发 光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组 成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过 渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注 入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量 以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。 PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。 这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二 极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两 端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半 导体晶体就发出从紫外到红外不

8、同颜色的光线，光的 强弱与电流有关。 1、LED的工作原理图的工作原理图 2、LED分类分类 按发光管出光面特征分：圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧 向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、 5mm、8mm、10mm及20mm等； 从发光强度角分布图来分为三类： (1) 高指向性。一般为尖头环氧封装或是带金属反射腔封装， 且不加散射剂。半值角为5-20或更小，具有很高的指向 性，可作局部照明光源用或与光检出器联用以组成自动检测 系统。 (2) 标准型。通常作指示灯用，其半值角为20-45 。 (3) 散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45-90或 更大，散射剂的量较大。

9、 按发光管发光颜色分：红色、橙色、绿色（又细分为黄绿、标 准绿和纯绿）、蓝光等。 根据发光二极管出光处掺或者不掺散射剂、有色还是无色分为： 有色透明、无色透明、有色散射和无色散射。 2、LED分类分类 2、LED分类分类 按发光二极管的结构分： 全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环 氧封装及玻璃封装等结构。 按发光强度和工作电流分 普通亮度的LED（发光强度小于10mcd）；超 高亮度的LED（发光强度大于100mcd）；把发 光强度在10-100mcd间的叫高亮度发光二极管。 一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低 电流LED的工作电流在2mA以下。 3、LED的应用的应用 1）

10、室内外照明 LED是使用半导体材料制成的一种无灯丝的灯，是一种 新型的冷光源，被誉为 “代表照明技术的未来”。 3、LED的应用的应用 2）交通系统指示灯 3、LED的应用的应用 3）煤矿的矿灯 LED光源和锂离子蓄电池设计制造的一种绿色环保新型矿灯，采 用人性化设计，具有用电省、体积小、重量轻、寿命长、无污染、 安全和使用方便等优点。 3、LED的应用的应用 4）显示屏的应用 应用于商业广告、体育场馆、闹市广场、营业 大厅、证劵交易等。 LED显示屏的特点： （1）节能、耗电少，仅为一般照明的10%，平均 功耗小于40W/m2，每天只需1度电； （2）工作电压只有5V-12V，不会对周边产生

11、电 磁干扰； （3）环保、无污染、没有噪音污染； （4）发光均匀，显示效果好； （5）工作性能稳定、安全可靠。 3、LED的应用的应用 5）汽车领域的应用 如仪表板、空调、收音机和电子开关等汽车内 部照明设备；同时LED的开关时间短，响应时 间是现用光源响应时间的1/100，故而用于汽车 的刹车灯或状态灯，可以缩短车后车辆的刹车 时间，预防追尾，提高安全性。 3、LED的应用的应用 6）移动电话背光源 手机面板、按键、闪光灯 三、无机材料在LED中的应用 1、MgAl2O4透明荧光陶瓷用于白光LED 2、YAG-Ge3+玻璃陶瓷用于白光LED 3、LED中新型MgAl2O/Ce：YAG透明陶瓷

12、 4、硼铝酸盐玻璃陶瓷用于白光LED 传统白光LED 实现的主要方法是采用YAG:Ce 荧光粉 与环氧树脂或硅胶以一定的比例混合涂覆在InGaN 蓝 光LED 芯片上。 由于芯片功耗及荧光粉光转换过程中的能量损失会转 化为热能，芯片和荧光粉涂层温度会随之升高，传统 封装材料在高温和短波光长期照射下透过率下降，产 生严重老化现象。 尤其在大电流驱动下，芯片温度升高会使荧光粉性能 劣化以致于荧光转换效率降低，以及白光LED 色坐标 发生大幅度偏移，影响到光品质的稳定性，器件寿命 也因此缩短。 烁光特晶科技有限公司研制的新型铝酸镁荧光透明陶瓷材 料。 采用自制的铝酸镁粉体分别混合自制和市售的荧光粉制

13、备 了荧光透明陶瓷, 对其加工并替代传统白光LED 中的荧光 粉层和环氧树脂封装外壳进行了封装测试。 由于荧光转换物质在透明陶瓷中均匀分布, 解决了传统工 艺中荧光粉易沉降的问题, 有利于出光的均匀性; 陶瓷材料 比树脂等有机材料热导率高, 加快了散热。 同时, 荧光陶瓷机械强度高、耐腐蚀、耐磨损, 可直接作为 封装外壳, 简化了封装工艺, 可拓展LED 的应用范围。 MgAl2O4 透明荧光陶瓷用于白光LED MgAl2O4 透明荧光陶瓷的制备 ( 1) 采用金属醇盐法制备MgAl2O4 陶瓷粉体, 合成出纯相、 分散性好、颗粒均匀、烧结活性高的MgAl2O4 陶瓷粉体。 ( 2) 将荧光粉

14、与MgAl2O4 透明陶瓷粉体按比例混合球磨, 使 其混合均匀并在一定温度下烘干。 ( 3) 将上述得到的MgAl2O4 荧光陶瓷粉体作为原料, 采用不 同的烧结工艺( 真空烧结、真空热压烧结结合热等静压等) 制备高致密、高透明的MgAl2O4 荧光陶瓷。 透明荧光陶瓷的加工和封装测试 将上述MgAl2O4荧光透明陶瓷进行加工, 按封装要求加 工出外形, 进行研磨和抛光, 并参考现有白光LED 的封 装, 将加工好的MgAl2O4 荧光透明陶瓷和蓝光半导体芯 片组装形成白光LED 器件, 初步实现了其在蓝光芯片照 射下的白光输出。 图2 M gAl2O4 荧光透明陶瓷在蓝光 LED 芯片照射下

15、的白光输出照片 图1 MgAl2O4荧光透明陶瓷 ( 1) 作为荧光材料 荧光粉在荧光透明陶瓷中起到荧光转换的作用, 将芯片发出的部分蓝 光转换成黄光, 剩余的蓝光和转换后的黄光混合成为所需的白光, 并通 过透明陶瓷材料实现照明。 MgAl2 O4 透明陶瓷热导率较高( 1710 W/ m .K) , 约为环氧树脂和有机 硅的10 倍, 可以使工作中产生的热量更为及时地传递出去, 有利于降 低荧光物质的工作温度, 延长荧光物质的寿命, 有助于降低芯片结温, 从而可以提高工作电流, 进一步提高LED 发光强度。 利用MgAl2O4 荧光透明陶瓷的受激发光、高的光学 透过以及优异的热学和力学等性能

16、, 将其作为白光 LED 的荧光转换材料和封装外壳。 由于透明荧光陶瓷有比环氧树脂和有机硅更高的热 导率和折射率, 可同时解决散热和高效率问题。 由于陶瓷材料有比有机材料更高的强度、硬度、更 耐腐蚀, 能够大幅度提高LED 制品的寿命。 由于陶瓷材料可兼作荧光转换材料和封装材料, 省去 了涂胶工艺并避免了涂胶均匀性控制问题。 用化学共沉淀法制备YAG: Ce3+ 前驱体, 以B2O3- Al2O3- SiO2-Na2O 为玻璃基质, 在1 300 煅烧制作出 YAG:Ce3+ 玻璃陶瓷, 封装成玻璃陶瓷发光层远离芯片的 白光LED。 1、加入合适比例的H3BO3、Na2CO3、Al2O3 和S

17、iO2 玻 璃配合料, 研磨材料至混合均匀, 装入容量为50 ml 的刚 玉坩埚, 在气氛保护炉中, 升温( 5/ min) 至1300, 保 温3h, 浇铸成玻璃陶瓷基片, 然后在550 马弗炉中退火 3h, 随炉冷却至室温，最后打磨基片。 2、采用5050 表面安装形式( SMD) LED 支架, 键合峰值 波长465 nm 左右的蓝光芯片, 金线绑定后灌封9022AB 硅胶, 覆盖YAG:Ce3+ 玻璃陶瓷薄片, 固化制得YAG: Ce3+ 玻璃陶瓷白光LED。 YAG-Ge3+玻璃陶瓷用于白光LED 采用金属醇盐法制备MgAl2O4前驱体，通过高温煅 烧24 h 得到纯相MgAl2O4

18、粉体，再将其与 YAG Ce 荧光粉均匀混合，利用热压烧结并结合热 等静压处理得到MgAl2O4 /Ce YAG 透明陶瓷。 LED中新型MgAl2O/Ce：YAG透明陶瓷 采用金属铝、镁按照一定比例和异丙醇进行反应获得 金属醇盐产物，再经过减压蒸馏提纯分馏，并在烘箱 烘干和高温煅烧24 h，得到颗粒大小为纳米级的 MgAl2O4粉体。 然后将MgAl2O4粉体与YAG:Ce 荧光粉以一定比例进 行混合，球磨24 h后放入干燥箱中烘烤，再进行过 筛处理。将均匀混合后的粉体先放入钢模中进行冷压 成型，经冷等静压成型得到素坯。再将样品置于真空 热压炉进行热压烧结，真空度10-2Pa，温度1500

19、1700。接着对样品在氢气条件下进行热等静压处理， 温度16001800 ，压力150200 MPa。 最后将试样表面进行研磨和抛光处理，即可获得高致 密、高透明的MgAl2O4 /Ce:YAG 陶瓷。 采用真空热压( HP) 烧结结合热等静压处理的方式 得到MgAl2O4 /Ce YAG 透明陶瓷。样品在近紫外 340nm 和蓝光区475nm 处有两个宽激发峰，且发 射光谱为500600nm 的宽谱，最强发射峰位于 533nm，属于Ce3+ 的5d4f 特征跃迁发射。 MgAl2O4 /Ce:YAG 透明陶瓷与蓝光LED 芯片封装 成白光LED，在35 mA 驱动下光效达到133.47 lm

20、W-1，其色温稳定性要远远好于传统YAG:Ce 荧 光粉封装的白光LED，在提升LED 器件光品质稳 定性的同时，还可以明显地提高白光LED 器件的 寿命 硼铝酸盐玻璃陶瓷用于白光LED 用共沉淀法制得的Y3Al5O12(YAG):Ce3+前驱体，混和 H3BO3-SiO2-Al2O3-Na2CO3玻璃初始材料，经过1 300 3 h 煅烧，得到用于白光LED 封装的硼铝硅酸盐YAG 玻璃陶瓷。 第一代的白炽灯、卤钨灯等热辐射光源发展到以日光 灯、荧光灯为代表的第二代，乃至以汞灯、钠灯、金 属卤化物灯为代表的第三代气体放电光源，都离不开 钨丝和汞蒸汽。它们不仅能耗大、寿命短，而且含有 金属汞，

21、对环境有一定的污染。 四、LED灯最新研究成果、研究热点 LED基本结构主要是利用pn结实现载流子注 入，对于ZnO同质pn结，因为晶格匹配，界 面缺陷较少，有利于载流子注入，但高质量 的p型ZnO薄膜制备仍存在较大困难，另一 方面，建立异质结构，能够将载流子限制在 势阱层内，提高有源区载流子浓度，进而提 高电子空穴复合几率。 1、各种结构的ZnO基同质结、异质结LED及 一维ZnO纳米线 棒阵列异质结LED的最新研 究成果。 目前研究得到的ZnO发光带及相应的发光机制主要有： (1)中心波长位于380 nm附近的紫外区：紫外辐射来自近 带边跃迁，通常由多个光谱成分组成，包括自由激子(X) 复合、中性施主束缚激子(DoX)的复合、中性受主束缚 激子(A X)及其声子伴线、双激子复合(M)、施主受主对 (DAP)复合及其声子伴线 。 (2)420 nm左右的蓝紫光发光带,该发光峰与本征缺陷引 起的施主或受主能级相关， 如导带与锌空位能级间能