LED路灯市场发展

1、业界所指称的半导体固态照明(Solid State Light；简称SSL)，现阶段主要即是指LED照明应用，其它则尚包括OLED、PLED(高分子电激发光二极体)等具备发光效能的应用材料。晶电研发处长吕志强指出，晶电在高功率LED产品上的发光效能，已有每瓦100流明的技术实力，与现阶段实验室的技术进展并没有相差太大，从目前LED业界在照明应用的推展进程来看，应可说是颇令人振奋，LED照明正一步步取代高压钠灯，涉入一般照明市场将是指日可待。根据美国能源局的发展目标，冀望在2015年将半导体照明发光效能提升至每瓦150流明，并至2020年时更进一步推展至每瓦200流明的水准，预料届时将可完全实现

2、把LED导入各项终端照明应用的愿景，使其能坐稳第四代照明的市场技术主流。 LED光源本身光效提升空间大，半导体技术的特点使其发光光效(相应的外量子效率)有望在现有基础上翻番，目前行业内高功率LED光效的顶级水平在100lm/W，研发水平已可大于130lm/W，将来有望实现大于200lm/W的水平。LED光源具有绿色环保特性，不含汞等重金属，更方便回收。LED光源系统易维护，总体运行成本低，产品品质高。以上诸多优点，使得LED路灯的市场前景被广泛看好。当前LED在路灯中的应用,其中结合太阳能技术作为能源的,大部分集中在对亮度和连续照明能力要求不高的草坪灯、庭院灯场合。陈和生介绍说,此部分主要使用

3、小功率普通型LED作为光源,其优势是灯的外观造型新颖,设计观念、理念区别于传统灯,加之结合太阳能技术,布线及布局不受外界电源支持的影响,成本上的劣势又不明显,是当前太阳能半导体照明技术中难得的不需政府支持、完全市场化运作的应用领域,不过目前国内此类产品的终端市场90%以上是出口的。LED路灯是半导体照明最终进入千家万户的功能性照明的第一步,其优点是省电(功率低，尤其是有效流明数高，一般是90W LED光源相当于250W高压钠灯)，方向性强（感状视觉增强型）；环保、安全、长寿命(2-5万小时)；易维护，高显色指数（LED光源在7080之间，普通高压钠灯显色指数只有2040左右，颜色失真严重）；耐

4、开关易控制（低温使用开启即亮）。用LED路灯替代传统路灯，一盏每年可节电1000度。我国用于城市道路照明的路灯存量2850万只，年增量150-200万只，每盏LED路灯价格3500-5000元，需要100-200只功率型白光LED，市场潜力巨大。此外，隧道灯市场潜力也很巨大，全国隧道总长近5000公里，上海拟建设的连接崇明岛的隧道9公里。2008年LED灯的发展现状自高亮度白光LED问世后，由于它具有发光效率高节电效果好，并且无污染、寿命长的特点，在照明应用上受到各国的重视。用白光LED作照明灯来取代传统照明灯的研发工作不断地进行着，取得了一些成果。这里举几个实例。3. 采用太阳能电池、蓄电池

5、及白光LED组成的真正绿色照明系统。我国的太阳能电池生产量很大，2006年已达到370MW，太阳能组件的生产能力已大于 1000MW.这对利用太阳能点亮白光LED灯创造了极为良好的条件。这不仅用于无电区，同样适合于城镇（在国外，主要依靠大量安装屋顶并网系统来发展太阳能光电产业）。目前我国已能生产成套适合牧区人民应用的白光LED照明系统，其结构框图如图1所示。在一些城市也采用太阳能电池、蓄电池及光控电路组成LED路灯，能自动地天黑点亮，天亮关断，其结构框图如图2所示。利用太阳能转化成电能来替代火力发电是最理想的，但大规模地应用太阳能电能是一个大的系统工程。虽然我国已能生产大量的太阳能电池，但可惜

6、的是95%用于出口，留在国内应用仅5%，目前利用太阳能点亮LED灯仅仅还在起步阶段。图1LED照明系统结构框图发光效率突破100lm/W随着半导体光电材料及工艺技术的进步及大功率白光LED的封装结构的改进，使得这两三年内白光LED的发光效率有长足的进步。15W的白光LED从以前的发光效率为3040lm/W提高到5060 lm/W，最近又提高到80lm/W。有一些顶级的发光效率可达100 lm/W以上。例如，Cree公司的一种4W冷白光LED，其光通量分挡，在350mA电流时其最高挡可达107114lm（其功率为0.35A 3.3V=1.15W，其发光效率为9399lm/W），典型的发光效率是8

7、0lm/W，而发展的目标是200lm/W。表1列出目前各种灯类的一些主要参数，从表1中可以看出，在发光效率上白光LED不仅远远地超过白炽灯，也超过普通荧光灯、紧凑型荧光灯（节能荧光灯），这意味着：白光LED灯比它们更亮、更节电；而在寿命上则遥遥领先。大功率白光LED的发光效率的提高给设计白光LED灯创造了条件，目前逐步用13W大功率白光LED来取代小功率5白光LED设计 LED灯。用1个到几个（或十几个）LED替代了几十个到几百个小功率5白光LED，不仅增加了亮度、减小了体积，还提高了可靠性、简化了工艺。LED灯难进百姓家上面已介绍了白光LED的特点及性能的提高，并开发出应用于各种场合的白光L

8、ED 灯，但LED灯难进百姓家。这不是生产上存在什么难题，主要原因是白光LED照明灯的发光效率还不太高，并且价格太贵，使一般百姓家难以接受。以家庭常用的白炽灯、节能荧光灯与相同亮度的白光LED灯的价格比较目前1W白光LED的单价是810元，3W的单价是2025元（与LED的质量及品牌有关），另外还要驱动电路及结构件。再考虑生产厂家的利润及商业利润，则单价可能要120元以上。从表2可以看出：9W节能荧光灯的发光效率与LED差别不大，但单价要比同样功率的白光LED灯价格低十几倍以上。这是白光LED灯难进百姓家的主要原因。要等到大功率白光LED的价格降低8倍左右、发光效率提高到150lm/W时，LE

9、D灯才能普及，这可能要等几年。节能荧光灯的上市到普遍应用也有近二十年时间（这有质量上的提高及价格下降的过程），白光 LED灯的普及可能要比节能荧光灯快些（5高亮度白光LED上市时单价大于1.5元，现在批量单价已降低到0.1250.15元）。 LED灯路在何方白光LED照明灯的推广及普及的意义十分重大，但真的要在我国进入百姓家还有很多工作要做，要在技术上（发光效率达到120150lm/W）、价格上（要比现在的价格降低810倍）有重大的突破，还需要不断的努力。白光LED照明灯的推广及普及工作是一项系统工程、重大项目，需要国家的规划、引导及扶持，在政策上及经济上的支持。我国现在在上海、南昌、大连、厦

10、门已建立四大半导体照明基地及有关科研单位，他们将对LED灯的推广工作起到重大作用。目前LED照明灯虽然还难进百姓家，但是还有很多领域可以大量地应用LED照明灯。这些领域的应用可促进大功率白光LED的生产、可促进技术的提高，并可降低生产成本。在LED照明设计、应用上也可获得更多的经验，有利于将来的推广。这些应用领域都是用电大户，对节电能起到很大作用。它们是:1. 城镇街道的路灯系统（包括太阳能路灯系统）；2. 隧道及地下停车场（包括地下商场）；3. 交通工具的照明（汽车、电车、轮船、飞机等的内部及部分外部照明灯）；4. 大的公共场所的LED照明系统，例如火车站、地铁站、飞机场、大型超市、大型百货

11、公司、大厦及医院等；5. 无电区的LED灯照明工程。由于LED照明灯一般采用低压直流（恒流）供电。若采用交流220V市电供电，需要专门的变电装置输出低压直流电（如12V、24V等）并由LED驱动器来驱动LED灯，如图3所示。所以最好在新建这些建筑时就考虑到用LED灯，则在建筑设计中都把它设计在内，这要经济得多。而归建筑原用日光灯的照明系统要改造成LED照明，则改造的费用大、改造的时间长（如改造一个地铁站或一个候机大厅的照明系统）。新建LED照明供电系统需要比传统照明供电系统要复杂些，费用要高得多，如果没有政策的支持及经济的扶持是难以成功的。结束语LED灯的应用是一个综合技术的应用，它涉及到LE

12、D、太阳能电池、蓄电池、AC/DC转换器、LED驱动器等各个领域的技术。但目前关键技术问题还是LED的发光效率不够高、生产成本不够低。要使LED灯进入千家万户，可能还要等几年。LED封装技术发展趋势1）采用大面积芯片封装用1x1 mm2的大尺寸芯片取代现有的0.3 x0.3 mm2的小芯片封装，在芯片注入电流密度不能大幅度提高的情况下，是一种主要的技术发展趋势。2）芯片倒装技术解决电极挡光和蓝宝石不良散热问题，从蓝宝石衬底面出光。在p电极上做上厚层的银反射器，然后通过电极凸点与基座上的凸点键合。基座用散热良好的Si材料制得，并在上面做好防静电电路。根据美国Lumileds公司的结果，芯片倒装约

13、增加出光效率1.6倍。芯片散热能力也得到大幅改善，采用倒装技术后的大功率发光二极管的热阻可低到1215/W。3）金属键合技术这是一种廉价而有效的制作功率LED的方式。主要是采用金属与金属或者金属与硅片的键合技术，采用导热良好的硅片取代原有的GaAs或蓝宝石衬底，金属键合型LED具有较强的热耗散能力。4）开发大功率紫外光LEDUV LED配上三色荧光粉提供了另一个方向，白光色温稳定性较好，使其在许多高品质需求的应用场合（如节能台灯）中得到应用。这样的技术虽然有种种的优点，但仍有相当的技术难度，这些困难包括配合荧光粉紫外光波长的选择、UV LED制作的难度及抗UV封装材料的开发等等。5）开发新的荧

14、光粉和涂敷工艺荧光粉质量和涂敷工艺是确保白光LED质量的关键。荧光粉的技术发展趋势是开发纳米晶体荧光粉、表面包覆荧光粉技术，在涂布工艺方面发展荧光粉均匀的荧光板技术，将荧光粉与封装材料混合技术。6）开发新的封装材料开发新的安装在LED芯片的底板上的高导热率的材料，从而使LED芯片的工作电流密度约提高510倍。就目前的趋势看来，金属基座材料的选择主要是以高热传导系数的材料为组成，如铝、铜甚至陶瓷材料等，但这些材料与芯片间的热膨胀系数差异甚大，若将其直接接触很可能因为在温度升高时材料间产生的应力而造成可靠性的问题，所以一般都会在材料间加上兼具传导系数及膨胀系数的中间材料作为间隔。原来的LED有很多

15、光线因折射而无法从LED芯片中照射到外部，而新开发的LED在芯片表面涂了一层折射率处于空气和LED芯片之间的硅类透明树脂，并且通过使透明树脂表面带有一定的角度，从而使得光线能够高效照射出来，此举可将发光效率大约提高到了原产品的2倍。目前对于传统的环氧树脂其热阻高，抗紫外老化性能差，研发高透过率，耐热，高热导率，耐UV和日光辐射及抗潮的封装树脂也是一个趋势。在焊料方面，要适应环保要求，开发无铅低熔点焊料，而且进一步开发有更高导热系数和对LED芯片应力小的焊料是另一个重要的课题。7）多芯片型RGB LED将发出红、蓝、绿三种颜色的芯片，直接封装在一起配成白光的方式，可制成白光发光二极管。其优点是不

16、需经过荧光粉的转换，藉由三色晶粒直接配成白光，除了可避免因为荧光粉转换的损失而得到较佳的发光效率外，更可以藉由分开控制三色发光二极管的光强度，达成全彩的变色效果(可变色温)，并可藉由芯片波长及强度的选择得到较佳的演色性。利用多芯片RGB LED封装型式的发光二极管，很有机会成为取代目前使用CCFL的LCD背光模块中背光源的主要光源之一。8）多芯片集成封装目前大尺寸芯片封装还存在发光的均匀和散热等问题亟待解决。采用常规芯片进行高密度组合封装的功率型LED可以获得较高发光通量，是一种切实可行很有推广前景的功率型LED固体光源。小芯片工艺相对成熟，各种高热导绝缘夹层的铝基板便于芯片集成和散热。9）平

17、面模块化封装平面模块化封装是另一个发展方向，这种封装的好处是由模块组成光源，其形状，大小具有很大的灵活性，非常适合于室内光源设计，芯片之间的级联和通断保护是一个难点。大尺寸芯片集成是获得更大功率LED的可行途径，倒装芯片结构的集成，优点或许更多一些。芯片技术发展趋势目前的外延技术可以使得InGaN有源层在常温和普通注入电流条件下的内量子效率达到90-95%，但当温度升高时，内量子效率会有较大的下降，因此要提高发光效率必须控制结温和提高出光效率。基于这点，技术发展趋势如下：1）衬底剥离技术（Lift-off）这项技术首先由美国惠普公司在AlGaInP/GaAsLED上实现，GaAs衬底使得LED

18、内部光吸收损失非常大，通过剥离GaAs衬底，然后粘接在透明的GaP衬底上，可以提高近2倍的发光效率。蓝宝石衬底激光剥离技术（LLO）是基于GaN的同质外延发展的一项技术，利用紫外激光照射衬底，熔化缓冲层而实现衬底的剥离。2003年2月，OSRAM用LLO工艺将蓝宝石去除，将LED出光效率提至75%，是传统LED的3倍，目前他们已拥有了第一条LLO生产线。2）表面粗化技术可以LED提高出光效率，但直接粗化容易对有源层造成损伤，同时透明电极更难制备。目前通过改变外延片生长条件得到表面粗化是一个较为可行的工艺。3）LED芯片制备基于二维光子晶体的微结构这也是LED提高出光效率的一个途径，2003年9

19、月日本松下电器制备出光子晶体的LED,其直径1.5微米,高0.5微米的凹凸可以增加60%的出光。4）倒装芯片技术（Flip-Chip）较好LED地解决电极挡光和蓝宝石不良散热问题，从蓝宝石衬底面出光。根据美国Lumileds公司的结果，倒装芯片约增加出光效率1.6倍。5）LED芯片表面处理技术主要技术途径采用了用表面微结构或表面纹理结构(SurfaceTexture)化提升正面出光效率。紫外光LED表面通过图形转换(Patterning)技术提高光功率,对表面进行加工后，提高了紫外光LED的取光效率。6）全方位反射膜7）发展大功率大尺寸芯片大尺寸芯片设计要注意到两个问题，一是大驱动电流下光效下

20、降问题；二是低扩散电阻的P电极设计，尽量降低电功率耗散产生的热效应。8）LED芯片提高侧向出光的利用效率需要对发光区底部的衬底（正面出光）或者外延层材料（背面出光）进行特殊的几何规格设计、并在适当的区域涂覆高反层薄膜，从而提高器件的侧向出光利用率，提高输出功率。高亮度LED制程发展趋势和高效率化技术随著LED性能持续地提高，应用市场也随之急速扩大，隐藏在背后的原因是使用GaN、AllnGaP发光材料的高辉度LED，拥有著长寿命、省电、耐震、低电压驱动等优秀的特色，并且超越灯泡和卤素等，而高发光效率的LED更是在最近几年陆续被研发出来，因此，未来高亮度LED市场的发展，将会更快速与广泛的成长。其

21、中普及率最明显的就是白光LED， 90年代末期在环保节能的背景下更被市场所期望着，同时也刺激了业者迅速研发相关的技术。就目前而言，白光LED主要的应用包括了手机液晶背光照明和车用内装照明，单单是这些市场就已经占了LED整体销售量的25左右。另一方面关于照明应用的部份，则处于刚起步的境界。一般建筑物的照明，往往占了整个消耗电力的20，在日本，90年代已经超过每年1,000亿kWh。所以对于新一代节能型光源的期望相当大，但遗憾的是到目前为止，白光LED还只能够使用在相当小的范围。因为像5mm的小型白光LED，无法像电灯泡或者萤光灯那样，只用一个就能得到使用环境所需的光量。因此如果希望LED能够跨足

22、到建筑照明，在整体技术上则需要更大的突破才行。高亮度白光LED基本结构白光LED基本上有两种方式。一种是多芯片型，一种是单芯片型。前者是将红绿蓝三种LED封装在一起，同时使其发光而产生白光，后者是把蓝光或者紫光、紫外光的LED作为光源，在配合使用萤光粉发出白光。前者的方式，必须将各种LED的特性组合起来，驱动电路比较复杂，后者单芯片型的话，LED只有1种，电路设计比较容易。单芯片型进一步分成两类，一类是发光源使用蓝光LED，另一类是使用近紫外和紫外光。现在，市场上的白光LED大多数是蓝光LED配合YAG萤光粉。在过去，只有蓝光LED使用GaN做为基板材料，但是现在从绿光领域到近紫外光领用的LE

23、D，也都开始使用GaN化合物做为材料了。并且伴随著白光LED应用的扩大，市场对其效能的期待也逐渐增加。从单纯的角度来看，高效率的追求一直都是被市场与业者所期待的。但是另一方面，演色也将会是一个重要的性能指标，如果只是做为显示用途的话，发光色为白色可能就已经足够了，但是从照明的用途来说，为了达到更高效率，如何实现与自然光接近的颜色就显得非常必要了。GaN作为高亮度LED基材逐渐普及在技术发展的初期，全球只有23家业者发展及生产GaN LED，但是到今天为止生产业者的数量已经接近10家企业，因此在市场上也展开了激烈的竞争。与初期相比较之下，尽管今天已经实现了飞跃性的亮度提升，但是技术上即将面临更困

24、难的门槛，所以现在不管是学术界，还是企业界都在集中精力进行技术和研究研发。以目前GaN LED整体的研发方向来看，大概分为，大电流化、短波长化，以及高效率化等等的发展方向。图说：至今生产GaN LED的业者数量已接近10家。（资料来源：NICHIA）如何让LED支持更大的电流近年来，业者对于只需一颗就可达到相当亮度的LED研发相当积极，因此在这一方面的技术也就落在如何让LED能够支持更大的电流。通常30u的LED最大可以驱动30mA的电流，但是这样的结果还是远远无法满足市场的期望，所以目标是需要将10倍以上的电流，导通到LED元件中。因此当LED的面积尺寸可以扩充到1m时，那么紧接下来的工作便

25、是如何让电流值能够达到mA，因为驱动电压是3V多，所以就可以有1W的电力能被流进1m的芯片面积。而在发光演色的方面，虽然有这么大的功率输入到GaN LED中，但是所投入电力的四分之三都无法转换成光而形成热量，因此LED就会出现过热的现象，这也会直接影响到LED的演色结果。因为LED元件的基本特性是，如果温度上升，发光效率就会下降以及造成演色性偏差，所以如何有效的释放大量产生热量的放热技术成为了关键，因此将LED装在热传导率大、热容量大的材料上就成了相当重要的问题，以目前来说大多是使用有价金属或者陶瓷。短波长带来励起光的高能量化提升萤光粉的发光效率从蓝光开始的GaN LED，目前已经成功研发了高

26、辉度绿光LED，开始虽然也有长波长化的研发趋势，但是因为InN的混晶比提高而导致的结晶性恶化，现在已经逐渐被业界放弃了。另一方面，为了诸如成为雷射代用品等的新型应用研发也开始被考量，所以目前业界对于短波长的研发正在积极进行。最近日本一些大学的实验室已经成功地研发出250nm的LED，不过实用性还是有待思考，因为人眼对于波长的接受度约为380nm，所以波长如果比380nm更短时，是无法生产出可视域内的LED，或者会产生低输出的情况。为了避免遇到前述的问题，目前大多都采用以下的解决方法：1.变更发光层结构：不在可视域LED的芯片上采用的GaInN结构，而是采用Eg更大的AlGaN或者AlGaInN

27、。2.回避光吸收损失：在LED的芯片结构中存在GaN或者GaInM层的话，会因为自身将光吸收而无法将光散发出去，所以利用AlGaN层为基础，来构成出全体结构层会有比较好的成果，或者利用GaN作为重要的n型底层。3.减少结晶缺陷的：短波长LED中结晶缺陷的密度会对光输出和寿命早成很大的影响。如果能够将上述的三个课题顺利的解决，相信利用LED作为一般照明的实用距离又能大幅度的缩短。以目前来说，GaN白光LED的效率已经可以超过了白热电灯泡和卤素灯（1525lm/W），但是为了能够超过拥有压倒性光亮输出相大的日光灯（5080lm/W以上），就需要更大幅的效率提高和光量的飞跃性增加。为了能达到与日光灯

28、相同的光源特性，利用萤光粉发光的混色形成的白光化技术，就成为关键的因素。如果充分利用LED的效率，并且能够实现短波长化的话，利用励起光的高能量化，相信萤光粉的发光效率也会大幅攀升。图说：如果充分利用LED的效率，并且能够实现短波长化的话，利用励起光的高能量化，相信萤光粉的发光效率也会大幅攀升。（资料来源：NICHIA）在长晶面得到均一的质量才是关键所谓的内部发光效率是指电子变换成内光的比例。可以说是LED中心部份的发光效率。但是往往因为结晶缺陷的因素，严重的影响了LED的发光效率。当GaN长晶时，因为使用在基板上的蓝宝石基板和GaN单结晶件的格子定数差、热膨胀系数的差距，使得长晶方向出现了非常

29、高密度的迁移缺陷。一般来说所产生的密度是在109c以上，这样的密度如果是出现在短波长LED和雷射二极管时就会成为致命伤。为了减少这种转位密度的方法大致上有2种，一种是不让转位贯通到长成方向、另一种是抑制转位现象的出现。在不让转位贯通到长成方向这一方面，可以使用Patterning加工的基板，在垂直长成时，使之往水平方向长成，将缺陷的长成边朝向水平方向弯曲，垂直方向实现贯通结果，来降低转位现象，这样的做法虽然大概能达到107c以下的低转位，但是实际量产的话，要在长晶面得到均一的质量才是关键。后者的方法是将结晶缺陷密度低的族氮化物（nitride）基板，或者低缺陷的族氮化物使用在已经成膜的基板上。

30、原来在族氮化物里是不存在单结晶Bulk，当使用蓝宝石基板进行hetero-epitaxial生成，转位高密度发生的根源就在于这种异种基板的使用，当然使用Bulk基板是最佳的解决方法。因此，在各种制作方法上的研发、量产化都在积极的开发中，也有一些已经开始进入销售的阶段了。另一方面，与终极基板Bulk基板相对的，能够实现其类似功能的是Template基板。目前好几个业者都开始小量生产，这些虽然没有像Bulk基板成本那么高，但是成本也不低，因为考虑到高成本和效率，只能使用在雷射和电子设备，UV LED等上面。尽管结晶缺陷非常多，但是GaN系LED元件为什么能够达到高亮度，并且芯片不会迅速劣化，这些结

31、构现象还是仍旧被工程师与学者在研究当中，但是并没有一个完整的理论出现。所以为了达到材料最大的限度，发挥出GaN的极限，就有必需确定发光构造的理想的层构成，以及构造设计。如果不能实现好的长晶一切都是白费功夫结晶生成对于LED元件制造来说，是相当关键的技术，同时也是高效率化研发的关键。无论怎么好的结构层设计，如果不能实现好的长晶，一切都是白费功夫。在初期，量产的GaN LED是face-up型的元件，在p侧的接触电极是采用透光性的薄膜电极，透过这个薄膜电极发光，而材料上则是使用Au合金电极，但是虽然具有透光性的特性，但是实际的透光度并不能满足实际应用的需求，因为通过电极的光系数，或者反射而无法散发

32、出的光相当的多，使得发光效率一直无法获得提升。因此随后研发人员考量，因为face-up型的LED元件反射率很高，必须采用稳定性高的材料作为电极，将光从蓝宝石基板侧发出，来提高发光通量。通常的LED芯片有必要透过有机材料来固定，往往伴随著这种封装材料的热量出现，会使得光的质量出现劣化，产生光输出降低的问题。另一方面flip-chip的封装之所以可以达到高发光效率，因为是将结晶层置于下方，利用bump金属材料封装在基板上，所以能够有效率的把结晶层内的热量排除，而且因为不需要连接材料，所以稳定性也相当高，用来作为照明用的大电流、大型元件，这是非常好的封装设计。图说：Flip Chip的封装之所以可以

33、达到高发光效率，因为是将结晶层置于下方，利用bump金属材料封装在基板上，所以能够有效率的把结晶层内的热量排除。（资料来源：CREE）提高电极的可视光透过率增加光通量最近也有工程师开始利用ITO作为透明导电膜，这是因为ITO电极的可视光透过率非常高，而且电极材料自身也不大会出现光吸收现象而造成光损耗，而且在光学设计上，本身折射率是GaN折射率和Mold材料树脂的中间值，所以能够大幅增加输出效率。因为GaN系结晶折射率很高，所以在LED元件结晶内部发出的光，并没有透出而是在内部反射，最终被材料所吸收。例如n-GaN层蓝宝石基板界面的临界角是47度，p-GaN层mold材料的epitaxial树脂

34、界面的临界角是38度，一般LED的输出效率至少是30。因此如果能够将发光层发出的光全部透出的话，很有可能可以将LED的亮度增加到目前两倍以上。LED构造逐渐固定化之后的一两年，关于这一方面的讨论相当多，包括了n-GaN层蓝宝石基板界面以及p-GaN层表面等等。在n-GaN层蓝宝石基板界面上，最有代表性的研究是透过界面加工，制造出光学的凹凸，并且在所形成凹凸的蓝宝石基板上生成结晶。界面作成凹凸形状的理由是，这样能够大幅减少全反射损失，如果在结晶生成初期，在加上促进水平方向长成，就能够减少结晶的缺陷，而使得发光效率大幅度的提升。另外，也有业者正在开发，当蓝宝石基板上进行长晶后，除去蓝宝石基板以及物

35、件界面的技术。这是因为在结晶生成后会形成反射性的电极，在这个电极上结合基板材料，然后再用雷射lift-off法除去蓝宝石基板，在露出的n-GaN层上形成n接触电极，当然这样的话，n-GaN层mold树脂间界面的临界角会比较小，使得光输出效率非常差，为了克服这一个缺点，就必须在n-GaN表面增加光学的设计，因为设计和生产的自由度都很高，所以可能会有很大幅度的输出效率提高，也会有flip chip的优点。在p-GaN层表面技术方面，目前有相当多业者投入开发Photonic结晶技术，所谓的Photonic结晶就是在光的波长周期性拥有折射率分布的构造，能够实现一般物质空间种无法实现的光的应用。将p-G

36、aN层进行蚀刻制程，在最表面形成Photonic结晶，能够大幅提高光输出效率，但是这是要求度非常高的微细制程技术，而且在对p-GaN层加工时，会造成p-GaN层破坏，所以目前还是停留在研发的阶段。Photonic结晶技术被发现后，在各领域的应用有著相当令人激赏的表现，一直是倍受研发者所关心的一项技术，因为多是期望能够回避日亚化学的蓝光LED加萤光粉制技术专利。其它的高效率化技术利用增加电流也可以达到高亮度，但是单纯的将元件大型化，透过提高电流实现高光度的话，是不能提高效率的，因为虽然将LED变的更亮，但是耗电量也随之增加，并且也会损及LED的使用寿命，但是可以透过减少元件的热负荷，来进一步提高

37、发光效率，因为即使是一般尺寸的LED，可以因为在封装基板上使用热传导性好的材料，来实现高效率化。GaN LED相关的研发，已经将基板的结构发展的相当成熟，接下来进一步的就是开发出新一代高效率LED。因为目前GaN LED的内部发光效率已经到达相当高的水平，但是光输出效率还有很大的空间可以提升，如果能够实现新一代设计的话，可以期待大幅度的光亮度提升成果，虽然有成本，寿命的诸多问题，相信新一代的超高亮度LED的量产时代已经不远了，同时也缩短了照明领域应用的时间距离。LED外延片技术发展趋势及LED外延片工艺主题:技术从LED工作原理可知，外延片材料是LED的核心部分，事实上，LED的波长、亮度、正

38、向电压等主要光电参数基本上取决于外延片材料。外延片技术与设备是 外延片制造技术的关键所在，金属有机物化学气相淀积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)技术生长III-V族，II-VI族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。下面是关于LED未来外延片技术的一些发展趋势。1.改进两步法生长工艺目前商业化生产采用的是两步生长工艺，但一次可装入衬底数有限，6片机比较成熟，20片左右的机台还在成熟中，片数较多后导致外延片均匀性不够。发展趋势是 两个方向：一是开发可一次在反应室中装入更多个衬底外延片生长，更加适合于规模化生产的技术，以降低成本；另外一

39、个方向是高度自动化的可重复性的单片设备。2.氢化物汽相外延片(HVPE)技术采用这种技术可以快速生长出低位元错密度的厚膜，可以用做采用其他方法进行同质外延片生长的衬底。并且和衬底分离的GaN薄膜有可能成为体单晶GaN芯片的替代品。HVPE的缺点是很难精确控制膜厚，反应气体对设备具有腐蚀性，影响GaN材料纯度的进一步提高。3.选择性外延片生长或侧向外延片生长技术采用这种技术可以进一步减少位元错密度，改善GaN外延片层的晶体品质。首先在合适的衬底上(蓝宝石或碳化硅)沉积一层GaN，再在其上沉积一层多晶态的 SiO掩膜层，然后利用光刻和刻蚀技术，形成GaN视窗和掩膜层条。在随后的生长过程中，外延片G

40、aN首先在GaN视窗上生长，然后再横向生长于SiO条 上。4.悬空外延片技术(Pendeo-epitaxy)采用这种方法可以大大减少由于衬底和外延片层之间晶格失配和热失配引发的外延片层中大量的晶格缺陷，从而进一步提高GaN外延片层的晶体品质。首先在合适的衬底 上( 6H-SiC或Si)采用两步工艺生长GaN外延片层。然后对外延片膜进行选区刻蚀，一直深入到衬底。这样就形成了GaN/缓冲层/衬底的柱状结构和沟槽交替 的形状。然后再进行GaN外延片层的生长，此时生长的GaN外延片层悬空于沟槽上方，是在原GaN外延片层侧壁的横向外延片生长。采用这种方法，不需要掩膜，因此 避免了GaN和醃膜材料之间的接

41、触。5.研发波长短的UV LED外延片材料它为发展UV三基色萤光粉白光LED奠定扎实基础。可供UV光激发的高效萤光粉很多，其发光效率比目前使用的YAG：Ce体系高许多，这样容易使白光LED上到新臺阶。6.开发多量子阱型芯片技术多量子阱型是在芯片发光层的生长过程中，掺杂不同的杂质以制造结构不同的量子阱，通过不同量子阱发出的多种光子复合直接发出白光。该方法提高发光效率，可降低成本，降低包装及电路的控制难度；但技术难度相对较大。7.开发光子再迴圈技术日本Sumitomo在1999年1月研制出ZnSe材料的白光LED。其技术是先在ZnSe单晶基底上生长一层CdZnSe薄膜，通电后该薄膜发出的蓝 光与基

42、板ZnSe作用发出互补的黄光，从而形成白光光源。美国Boston大学光子研究中心用同样的方法在蓝光GaN-LED上叠放一层AlInGaP半 导体复合物，也生成了白光。LED外延片工艺衬底结构设计缓冲层生长N型GaN层生长多量子阱发光层生长P型GaN层生长退火检测（光萤光、X射线）外延片片外延片设计、加工掩模版光刻离子刻蚀N型电极（镀膜、退火、刻蚀）P型电极（镀膜、退火、刻蚀）划片芯片分检、分级高功率LED散热基板发展趋势由于LED技术的进步，LED应用亦日渐多元化，由早期的电源指示灯，进展至具有省电、寿命长、可视度高等优点之LED照明产品。然而由于高功率LED输入功率仅有15至20%转换成光，

43、其余80至85%则转换成热，若这些热未适时排出至外界，那么将会使LED晶粒界面温度过高而影响发光效率及发光寿命。 LED发展 散热是关键 随着LED材料及封装技术的不断演进，促使LED产品亮度不断提高，LED的应用越来越广，并为LED产业提供一个稳定成长的市场版图。以LED作为显示器的背光源，更是近来热门的话题，从小尺寸显示器背光源逐渐发展到中大尺寸LCD TV背光源，颇有逐步取代CCFL背光源的架势。主要是LED在色彩、亮度、寿命、耗电度及环保诉求等均比传统冷阴极管（CCFL）更具优势，因而吸引业者积极投入。 早期单芯片LED的功率不高，发热量有限，热的问题不大，因此其封装方式相对简单。但近

44、年随着LED材料技术的不断突破，LED的封装技术也随之改变，从早期单芯片的炮弹型封装逐渐发展成扁平化、大面积式的多芯片封装模块；其工作电流由早期20mA左右的低功率LED，进展到目前的1/3至1A左右的高功率LED，单颗LED的输入功率高达1W以上，甚至到3W、5W。封装方式更进化 由于高亮度高功率LED系统所衍生的热问题将是影响产品功能优劣关键，要将LED组件的发热量迅速排出至周遭环境，首先必须从封装层级（L1& L2）的热管理着手；目前的作法是将LED晶粒以焊料或导热膏接着在一均热片上，经由均热片降低封装模块的热阻抗，这也是目前市面上最常见的LED封装模块，主要来源有Lumileds、OS

45、RAM、Cree 和Nicha等LED国际知名厂商。 这些LED模块在实际应用可组装在一整排呈线光源，或作成数组排列或圆形排列，再接合在一片散热基板上作为面光源。但对于许多终端的应用产品，如迷你型投影机、车用及照明用灯源，在特定面积下所需的流明量需超过上千流明或上万流明，单靠单晶粒封装模块显然不足以应付，走向多芯片LED封装，及芯片直接黏着基板已是未来发展趋势。 在LED实际产品应用上，不论用于显示器背光源、指示灯或一般照明，通常会视需要将多个LED组装在一电路基板上。电路基板一方面扮演着承载LED模块结构，另一方面，随着LED输出功率越来越高，基板还必须扮演散热的角色，以将LED芯片产生的热

46、传递出去，在材料选择上，因此必须兼顾结构强度及散热需求。 需顾虑材料成本传统LED功率不大，散热问题不严重，只要运用一般电子用的铜箔印刷电路板即足以应付，但随着高功率LED越来越盛行，此板已不足以应付散热需求，因此需再将印刷电路板贴附在一金属板上，即所谓的Metal CorePCB，以改善其传热路径。 另外也有一种做法直接在铝基板表面直接作绝缘层或称介电层，再在介电层表面作电路层，如此LED模块即可直接将导线接合在电路层上。同时为避免因介电层的导热性不佳而增加热阻抗，有时会采取穿孔方式，以便让LED模块底端的均热片直接接触到金属基板，即所谓芯片直接黏着。 除了金属基板外，为因应高功率LED封装

47、及芯片直接粘着基板的发展，基板材料的选用除考虑散热性外，还必须考虑与芯片的热膨胀系数相匹配问题，以避免热应力引起的热变形及可靠度问题，因此目前国内外也在发展陶瓷基板及金属复合基板等。这些新开发的基板材料不但具有良好的散热性，同时热膨胀系数（介于48ppmK）与LED芯片均相匹配，唯一的缺点是价格均比一般的金属基板贵。聚焦无风扇散热 其实，LED的散热组件与CPU散热相似，都是由散热片、热管、风扇及热界面材料所组成的气冷模块为主，当然水冷也是热对策之一。 以当前最热门的大尺寸LED TV背光模块而言，40英寸及46英寸的LED背光源输入功率分别为470W及550W，以其中的80%转成热来看，所需

48、的散热量约在360W及440W左右。如何将这些热量带走，有用水冷方式进行冷却，但有高单价及可靠度等疑虑；也有用热管配合散热片及风扇来进行冷却（如SONY 46” LED TV），但风扇耗电及噪音等问题。因此，如何设计无风扇的散热方式便是决定未来谁能胜出的重要关键。LED灯光照明设计开发的发展趋势居室照明离不开灯具，而灯具是照明的集中反映，它既是完成居室建筑功能、创造视觉条件的工具，又是居室装潢的一部分，是照明技术与建筑艺术的统一体。现代灯具不仅在居室内起照明作用，也是营造居室环境氛围的主要组成部分。利用灯具造型及其光色的协调，能使居室环境具有某种氛围和意境，体现一定的风格和个性，增加建筑艺术的

49、美感，使室内空间更加符合人们心理、生理的需求和审美情趣。LED作为一种新型的照明技术，其应用前景举世瞩目，尤其是高亮度LED更被誉为21世纪最有价值的光源，必将引起照明领域一场新的革命。自从白光LED出现，无论是发光原理还是功能等方面都具有其它传统光源无法匹敌的优势，因此，LED照明已成为21世纪居室照明领域的一种趋势，LED与传统白炽灯和日光灯一起，为居室照明开辟了崭新的天地。灯具设计的内容与形式主要是光，LED新光源促使照明灯具设计开发的革新，从很大程度上改变了我们的照明观念，使我们可以从传统的点、线光源局限中解放出来，灯具设计的语言和概念可以自由发挥和重新确立，灯具在视知觉与形态的创意表

50、现上具有了更大的弹性空间，居室照明灯具将向更加节能化、健康化、艺术化和人性化发展。一、节能化研究资料表明，由于LED是冷光源，半导体照明自身对环境没有污染，与白炽灯、荧光灯相比，节电效率可以达到70以上。在同样亮度下，耗电量仅为普通白炽灯的1/10，荧光灯管的1/2。如果用LED取代我们目前传统照明的50，每年我国节省的电量就相当于一个三峡电站发电量的总和，其节能效益十分可观。二、健康化LED是一种绿色光源。LED灯直流驱动，没有频闪；没有红外和紫外的成分，没有辐射污染，显色性高并且具有很强的发光方向性；调光性能好，色温变化时不会产生视觉误差；冷光源发热量低，可以安全触摸；这些都是白炽灯和日光

51、灯达不到的。它既能提供令人舒适的光照空间，又能很好地满足人的生理健康需求，是保护视力并且环保的健康光源。由于目前单只LED功率较小，光亮度较低，单独使用有时不能达到照明亮度要求，而将多个LED组装在一起设计成为实用的LED照明灯具则具有广阔的应用前景。灯具设计师可根据照明对象和光通量的需求，决定灯具光学系统的形状、LED的数目和功率的大小；也可以将若干个LED发光管组合设计成点光源、环形光源或面光源的“二次光源”，根据组合成的“二次光源”来设计灯具。三、艺术化光色是构成视觉美学的基本要素，是美化居室的重要手段。光源的选用直接影响灯光的艺术效果，LED在光色展示灯具艺术化上显示了无与伦比的优势；

52、目前彩色LED产品已覆盖了整个可见光谱范围，且单色性好，色彩纯度高，红、绿、黄LED的组合使色彩及灰度(1670万色)的选择具有较大的灵活性。灯具是发光的雕塑，由材料、结构、形态和肌理构造的灯具物质形式也是展示艺术的重要手段。LED技术使居室灯具将科学性和艺术性更好地有机结合，打破了传统灯具的边边框框，超越了固有的所谓灯具形态的观念，灯具设计在视知觉与形态的艺术创意表现上，以一个全新的角度去认识、理解和表达光的主题。我们可以更灵活地利用光学技术中明与暗的搭配、光与色的结合，材质、结构设计的优势，提高设计自由度来弱化灯具的照明功能，让灯具成为一种视觉艺术，创造舒适优美的灯光艺术效果。例如半透明合

53、成材料和铝制成的类似于蜡烛的LED灯，可随意搁置在地上、墙角或桌上，构思简约而轻松，形态传达的视觉感受和光的体验，让灯具变成充满情趣与生机的生命体。四、人性化毋庸置疑，光和人的关系是一个永恒的话题，“人们看到了灯，我看见了光”，正是这句经典的话语改变了无数设计师对灯的认识。灯具的最高境界是“无影灯”也是人性化照明的最高体现，房间里没有任何常见灯具的踪迹，让人们可以感受到光亮却找不到光源，体现了把光和人类生活完美结合的人性化设计。LED灯具积小质轻，可选用不同光色的LED组合成照度柔和的各种模块，任意安装在居室中，居室照明灯具的光源可能来源于地面、墙面、窗台、家具、饰物等。因此，未来居室照明将不

54、再局限于单个灯具，而将由单个灯具照明转化为无照明器具感的整体照明效果的无影灯。不同的光色和亮度对人的生理和心理能产生不同的影响，人们在很多情况下并不需要很亮的白光，可能黄光或其它颜色的光更适合生理和心理的需要。三基色LED可以实现亮度、灰度、颜色的连续变换和选择，使得照明从普遍意义上的白光扩展为多种颜色的光。因此，人们可以根据整体照明需要（如颜色、温度、亮度和方向等）来设定照明效果，实现人性化的智能控制，营造不同的室内照明效果。即使居室中只有LED发光天花板和发光墙面，人们也可以根据各自要求、场景情况，以及对环境和生活的不同理解，在不同的空间和时间选择并控制光的亮度、灰度、颜色的变化，模拟出各

55、种光环境来引导、改善情绪，体现更人性化的照明环境。结语随着LED技术的进一步成熟，LED将会在居室照明灯具设计开发领域取得更多更好的发展。21世纪的居室灯具设计将会是以LED灯具设计为主流，同时充分体现节能化、健康化、艺术化和人性化的照明发展趋势，成为居室灯光文化的主导。在新的世纪里，LED照明灯具必将会照亮每个人的居室，改变每个人的生活，成为灯具开发设计的一次伟大变革。LED技术发展随着市场的快速发展，美国、日本、欧洲各主要厂商纷纷扩产，加快抢占市场份额。日本的东芝等品牌的LED已经应用于汽车领域，这种新型LED的应用不但寿命长，节省能源，同时又顺应国家环保政策，据预测，LED照明将使全球照

56、明用电减少一半。专家郭毅然坦言，LED若能代替普通的照明灯，那么LED的应用不得不说是世界照明领域的革命性发展。郭毅然介绍说，通用照明LED技术在国内尚未成熟，但是在欧洲等一些国家，LED已经应用到汽车行业，LED在汽车市场的主要成长动力是替代原有指示灯及灯泡照明。这些LED灯的技术性能指标已经超过国内的普通白炽灯的技术，国外一些厂家的LED指标已经达到了一颗芯是250lm，应用在汽车上的LED的技术指标范围达到80-120lm，180-300mA，从这看，我国的LED技术还有待提高。发展趋势当前全球照明市场的年均增长率约为5.5%，2000年仅白炽灯、荧光灯的市场规模就达45亿美元。业界一般

57、认为，白光LED照明市场可望在2010年左右趋于成熟。预计未来7年内，高亮度LED对全球照明工业将造成巨大的冲击。美国从2000年起投资5亿美元实施国家半导体照明计划。美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯具替代，每年仅节电就可达350亿美元。日本计划，到2007年，全国将有30%的白炽灯被置换为半导体照明灯。欧洲专门制订了COST五年行动计划，它提出新型光源要符合三个条件:高效、节能;不使用有害于环境的材料；模拟自然光，其显色指数接近100。美国有专家提出，半导体已在电子学方面完成了一场革命，第二场革命将在照明领域进行，到2020年左右,固体光源的发光效率将达到200lm/w,能符合COST计划提出的对新光源的要求，这样,在国际上掀起了LED照明的热潮。2003年全世界LED产值为45亿美元，台湾地区的产值为8.9亿美元，占全世界的2