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超高亮度LED和白光LED发展状况及前景

超高亮度LED和白光LED发展状况及前景

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  • 发布时间:2012-11-09 12:30
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     我国发光二极管 (LED)研发从20世纪70年代开始,早期由中科院长春物理所、厦门大学物理系、中国电子科技集团公司第13所、浙江大学等几个高校、研究所开展研究工作,由当时的电子工业部扶植了南昌746厂、苏州半导体厂和长春半导体厂等几个重点企业。这些单位主要以GaP、GaAlAs材料为主,开展汽相、液相外延生长,芯片制造和后工序环氧封装,做出了以GaP为主的红、橙、黄、绿色LED,并开发出GaAlAs高亮度红、橙色LED。在红外LED方面,有中国电子科技集团公司第13所、第44所、上海冶金所等单位进行研究开发,主要是以GaAs和GaAlAs材料为主,开发出多种近红外LED,并取得很多研究成果,均已达到产业化水平。
     1.1 超高亮度LED发展状况
     超高亮度LED主要指四元系AlGaInP基的红、橙、黄色LED,GaN基的蓝、绿、紫和紫外光LED,从20世纪90年代开始,国际上开发出AlGaInP红、橙、黄色超高亮度LED及GaN基蓝光LED。
     我国863计划从”八五”开始就认识到高亮度LED的迅速发展将对我国产生重大影响。特别是新材料领域光电子材料和器件主题专家组成立后,在战略安排中将宽禁带半导体发光和激光器件的研制以及相应的基础材料、在线测量技术和设备、衬底材料、外延设备的研究组成一个重大研究群体。
     1)AlGaInP超高亮度LED
     早期投入AlGaInP超高亮度LED研究开发的有13所、山东大学、中科院半导体所等单位,主要在材料外延方面取得突破,同时研发出红、橙、黄色超高亮度LED芯片 ,并已通过相关部门的鉴定。
     目前国内能提供的四元系AlGaInP红、橙、黄色LED芯片来看,总产量太少,还远不能满足市场的需求,目前这几种芯片大部分还是依靠进口。此外,国内企业还无法提供大功率的高档次芯片,而芯片参数的一致性、抗光衰、可靠性指标等有待进一步提高。
     2)GaN基蓝、绿色LED
     我国对GaN基蓝、绿色LED这一新兴领域的发展非常重视。从“七五”开始就得到了“863”计划、“攀登计划”、国家自然科学基金及其它基金的多方面支持。
     GaN基半导体材料是第三代半导体材料的代表,是目前世界上可制成高效蓝、绿、紫、白色LED的最先进的半导体材料。我国北京大学、清华大学、中科院半导体所、中科院物理所,13所、南昌大学、南京大学、长春物理所、长春光机所等科研机构,先后开展了GaN基蓝光材料和LED器件相关技术研究,分别研制出GaN基蓝光LED芯片,有的单位还研制出GaN基绿色、紫外LED芯片,而且通过了相关部门的鉴定。在材料质量、器件指标等方面取得了重要进展。研究水平基本上在几mW量级。特别是,当前活跃在国际GaN蓝光材料和LED研究较先进部门的一线研究人员中,有相当数量为我国留学人员,这是我国发展GaN蓝光材料和LED的有利条件。
     中科院半导体所已于2001年首次在我国研制成功InGaN/GaN单量子阱结构的绿光LED。采用MOVPE方法,生长出InGaN/GaN单量子阱结构的绿光LED。所用衬底为(0001)面的蓝宝石(α-Al2O3),衬底直径38mm。分别用三甲基镓(TMGa)和乙基二甲基铟(EDMIn)作Ⅲ族源,NH3作Ⅴ族源,二茂镁(Cp2Mg)和硅烷(SiH4)分别作p型和n型的掺杂剂。在室温正向偏置下,在20mA的注入电流时,该器件的发光波长峰值为530nm,FWHM为30nm。当注入电流小于40mA时,发光强度随注入电流的增大单调递增。
     北京大学利用LP-MOCVD 系统在蓝宝石(α-Al2O3) 衬底的(0001) 面上生长了InGaN/ GaN MQW 紫光LED 结构,光致发光测试表明,该结构的峰值波长为399.5nm , FWHM 为15.5nm , 波长均匀性良好。制成350μm ×350μm 的LED 管芯后,正向注入电流为20mA 时,正向工作电压在4V 以下。
     2003年8月,中科院物理所与上海蓝宝光电材料有限公司联合开发的GaN基蓝光LED通过从外延材料到器件工艺的关键技术成果鉴定,该蓝光LED解决了从外延材料到器件工艺的关键技术,其器件性能达到国际先进水平,申请并被受理4项发明专利,并产品已进入市常表1为国内GaN基LED芯片主要指标。
     目前,我国GaN基蓝、绿色LED芯片的参数一致性、抗光衰和可靠性指标等有待进一步提高,还需突破大功率芯片技术。谁能够在发光材料的研制和器件的制造工艺方面率先取得突破,谁就有可能在行业取得一定的主导地位。目前国内约有6~8个高校、研究所及合作企业在开展 大功率LED 芯片的研发工作,开发的内容包括大功率的LED器件、倒装芯片及封装技术等。
     1.2 白光LED
     随着LED效率的不断提高,特别是高效蓝色LED(InGaN/GaN)和紫光LED的突破,不仅填补了LED 三基色中的蓝色空白,同时可利用LED 实现白光LED,为我国白光LED的发展奠定基矗
     深圳方大集团股份有限公司在首先实现GaN基半导体材料和器件产业化基础上,走集约化经营的道路,确立了GaN基白光LED的研究项目。中国科学院物理所和长春光机与物理所、北京大学、北京有色金属研究院、电子13所等单位也相继开展了白光LED方面的研究工作。目前已经获得了 荧光粉与蓝光LED 组合封装的白光LED 样品,并获得了较高的转换效率,并正在缩短与国际先进水平的差距。
     此外,白光LED的主要材料还有荧光粉,有用于蓝光激发的黄、绿色荧光粉、红色及绿色荧光粉,还有用于紫外光激发的三基色荧光粉。国内市场上的白光LED大多是国内LED厂家采用进口蓝光LED芯片和荧光粉自行封装的。由于技术力量和自主开发能力薄弱,蓝光芯片的选用和白光LED的性能受到一定限制和影响。中科院长春物理所、北京有色院、北京大学化学系均对荧光粉做了很多研究工作。目前,虽然广东、浙江有几个企业可提供,但其性能和使用寿命有待提高。国内厦门通士达公司等有实力的企业正在研发相应的产品。
     北京大学物理学院介观物理国家重点实验室利用自行研制的InGaN/GaN SQW 蓝光LED 芯片和YAG: Ge3 + 荧光粉制作了高亮度白光LED,并对其发光强度、色度坐标、I-V、色温及显色性等特性进行了研究。在室温下,正向电流为20mA 时,白光LED 的轴向发光强度为1.1~2.3cd ,正向电压小于3.5V,色度坐标为(0.28;0.34) ,显色指数约为70。
     方大集团博士后工作站目前正在研发GaN基白光LED。2003年7月,该工作站已成功掌握了一种用蓝光LED与含有复合发光材料的白光发光器件及发光材料组合而成的半导体白光LED照明技术,研制出拥有自主知识产权的国产牌白光 LED产品 ,这是我国在该领域取得核心技术的重大突破,它打破了发达国家众多专利的种种限制,改写了世界 半导体照明 技术由少数几个发达国家控制的历史。
     大功率高亮度半导体芯片是实现半导体照明的关键。为了提高半导体照明发光强度,方大通过改善发光和出光效率,以提高器件电流来解决单一芯片的光通量,有效解决了高电流驱动、散热、出光效率和可靠性等技术难点。同时采用独特的底板和芯片设计原理,结合先进的外延特点,使用倒装焊技术,使量子效率得到了极大的提高,成功解决了反向漏电流随芯片尺寸增加而增加的技术难题,使半导体照明用的大功率高亮度芯片成为现实。大功率高亮度半导体芯片不仅具有高效、节能、寿命长等优点,而且大幅改善电流分布,使热源发布和发光强度更加均匀。目前,方大集团已拥有“在蓝宝石衬底上形成半导体LED管芯的方法”、“一种可制备大功率LED的半导体芯片”、“复合量子阱结构高亮度GaN基蓝光LED外延片”等10多项发明专利。
     中科院长春光学精密机械与物理研究所最近研制成功的白光LED已达到世界先进水平。其亮度是普通白炽灯的3倍,耗能是普通白炽灯的1/10,寿命是普通白炽灯的100多倍,照明效率是相同管芯的蓝光LED的3.44倍。他们利用发射波长为470nm 的蓝光LED作为基础光源,通过荧光粉转换方法制备白光LED,荧光粉主要采用稀土激活的铝酸盐Y3Al5O12:Ce3 + ( YAG) 。还研究制备了不同色温(2700~8000K)的白光LED,部分指标已经超过了国外同类产品水平。表2为世界上主要几个国家和我国台湾与内地所研制的白光LED 性能指标比较。
     2.我国白光LED发展前景
     半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。进行半导体照明的关键技术攻关并开发相关产品,实现半导体照明的产业化和商品化,将加快我国半导体照明产业化进程,利用高新技术促进照明电器、汽车和建筑等传统行业的技术改造和技术水平升级,同时将对能源与环境、电力电子和军事等高新技术领域的快速发展起到重要的推动作用。
     我国在超高亮度和白光LED领域已具备一定的技术和产业基础,但是,照明工业也存在大而不强的问题,主要做低端产品,利润率低,缺乏国际市场竞争力。直到现在,照明和城市美化所用的大部分 灯具 ,只有5%的电能转化成了光能。目前我国一年照明耗电量超过2000亿千瓦时,占全国用电总量的12%。半导体灯替代传统灯后,我国每年可节约近1000亿千瓦时,超过2008年建成后的三峡电站的发电量。
     为顺应半导体照明——白光LED这一世界高新技术发展潮流,我国已于2003年6月17日成立了国家半导体照明工程协调领导小组,科技部会同信息产业部、建设部、教育部、中国轻工业联合会、中国科学院等行业和地方,开始共同启动半导体照明工程。国家半导体照明工程协调领导小组的成立,对促进我国白光LED发展有着重大意义。
     自从我国启动了半导体照明工程后,进展很快。有50多家企业和研发机构得到了“十五”科技攻关的立项支持,60多名海外留学人员回国创业,一批新企业应运而生。同时,我国科技部也启动了半导体照明示范工程项目,旨在建设一批具有代表性的工程,例如厦门鼓浪屿亮化工程,通过政府采购来推动半导体照明产品的应用,并在应用过程中逐步解决标准系列化的问题。
     据国家半导体照明工程协调领导小组组长、科技部高新技术发展及产业化司李健司长分析,我国发展半导体照明产业的机遇很好,有几大有利条件:
     第一,我国拥有巨大的照明工业和照明市常我国现在是世界上第一大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。去年销售收入达445亿元,出口创汇达43亿美元。美国的年照明用电为6000亿千瓦时,约占用电总量的20%。我国人口5倍于美国,目前年照明用电才2000亿千瓦时,仅为美国的1/3,占全国用电总量的12%。这意味着照明工业在我国有着巨大的发展空间。全面建设小康社会,广大群众对新型照明更是有着旺盛的需求。
     第二,我国在这个领域已具备一定的技术和产业基矗我国自主研制的第一个LED,比世界上第一个LED只晚几个月。专家认为,从总体上看,目前我国半导体LED产业的技术水平与发达国家只相差3年左右。我国已初步形成从外延片生产、芯片制备、器件封装到集成应用的比较完整的产业链。尤其是封装已在国际市场上占有相当大的份额,我国生产的红光、黄光半导体灯在全球最有竞争力,优势就在于封装。
     第三,半导体照明产业是一个技术密集型加劳动密集型产业,比较适合我们的国情,其风险和难度都低于微电子产业。
     目前,我国发展半导体照明产业是要靠机制创新加政策拉动。发展我国半导体照明产业的战略目标不仅在于突破一批关键技术,掌握一批知识产权,更重要的是,要研究开发与资本运作并重。在继续倡导产学研联合攻关的同时,要发挥企业特别是民营企业的主体作用,使企业真正成为这个工程的投资主体、实施主体、受益主体。另一方面,还要以应用促发展。半导体照明有外延、芯片、封装、应用几个环节,首先要抓离市场最近的终端产品应用,尽快实现产业化。
     此外,李健司长还提出几项建议:
     1)将半导体照明产业纳入国家重点发展的高新技术产业给予大力支持。出台国家半导体照明工程计划,将半导体照明产品列入国家高新技术产品出口目录、节能产品目录和政府采购目录。
     2)当前首先抓在城市景观照明上的应用。考虑到性能价格比,发展半导体照明宜先从包括城市景观照明、道路交通照明、汽车照明等在内的特种照明抓起,特别是城市景观照明,可列入政府采购目录,最能发挥半导体灯用电少、寿命长、免维护的优势。同时,抓紧低成本、高亮度、大功率白光 二极管 及其系统的开发,让半导体灯早日进入千家万户。
     3)目前半导体照明产业尚未建立国际标准,要加快建立半导体照明产业标准,形成我国的自主知识产权。
     4)在全球范围整合资源,打造产业链。不能一切从头做起搞小而全、大而全。半导体照明产业是一个世界性产业,必须坚持开放,主动参与国际分工,充分利用国内国外两个市尝两种资源。只有这样,才能在这个新兴的高技术产业领域尽快形成气候,迅速形成有国际竞争力的中国半导体照明产业。
     3.结语
     近几年来,我国LED 研发取得了巨大的进展,大大地缩小了与国际先进水平的差距。特别是超高亮度及白光LED行业发展非常迅速,无论在技术上或产品产业化方面,均已有很大突破。不久的将来,我国有可能成为世界超高亮度LED和白光LED的产业基地之一。


 

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