LED技術(shù)及應(yīng)用

　　LED元件在2005年的全球市場規(guī)模約為57.4億美元，其中50%在日本，20%在臺灣。除了各種應(yīng)用照明、戶外建筑及手機背光源等應(yīng)用外，業(yè)界正在積極找尋各種新應(yīng)用。本文介紹了LED的基本原理、技術(shù)趨勢，以及市場動態(tài)。 

LED產(chǎn)業(yè)趨勢 

　　發(fā)光二極管(LED是利用光輻射原理來發(fā)光的，其發(fā)光顏色與制作材料有很密切的關(guān)系。LED技術(shù)的開發(fā)，從早期的紅光、綠光，一直到開發(fā)成功藍光LED，才通過整合紅、藍、綠，或把藍光熒光粉與黃色熒光粉混合，成為白光LED。成功開發(fā)出白光LED的最大好處，是可以應(yīng)用於多波長，讓運用領(lǐng)域變得廣泛而深遠。
  
1、LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 

　　早在1907年開始，人們就發(fā)現(xiàn)某些半導(dǎo)體材料制成的二極管在正向?qū)〞r有發(fā)光的物理現(xiàn)象，但生產(chǎn)出有一定發(fā)光效率的紅光LED已是1969年了。1994-1995年人們開發(fā)成功了藍光LED，并在1998年實現(xiàn)了真正商品化。2000-2002年間，研發(fā)人員不斷追求成本效益，使LED成功打入手機背光源市場。到今天，LED已生產(chǎn)了30多年，各種類型的LED、利用LED作二次

　　開發(fā)的產(chǎn)品及與LED配套的產(chǎn)品(如白光LED驅(qū)動器)發(fā)展迅速，新產(chǎn)品不斷上市，并已發(fā)展成為一種新型產(chǎn)業(yè)。

　　LED技術(shù)研發(fā)之路，最為人津津樂道的故事，就是開發(fā)藍光LED時，碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)兩大門派之爭。這也是許多研發(fā)團隊辛勤投入開發(fā)藍光LED元件時，必須痛苦抉擇的兩條截然不同的道路。 

　　之前，全球許多大公司皆投入SiC研發(fā)，結(jié)果日本一家專門做熒光粉業(yè)務(wù)的公司——日本日亞化工公司(Nichia Chemical Industries Ltd.)的研發(fā)人員中村修二先生(Shuj Nakamura)於1994年和1995年，在氮化鎵(GaN)研究方面獲得重大突破，并取得震驚全球的專利。這位研發(fā)人員的重大突破，引發(fā)了包括Sony及Toshiba等大廠的最高主管都出面為自己所做的錯誤決策導(dǎo)致技術(shù)落後而道歉。這位Nakamura的技術(shù)突破，讓氮化鎵(GaN)陣營正式快速超越SiC。

　　原本做熒光粉業(yè)務(wù)的Nichia由於在藍光LED技術(shù)上的成功，使其年營業(yè)額從約1億美元快速發(fā)展到2003年的9億美元。而原本該公司準備發(fā)給Nakamura的專利獎勵金是日幣200萬元，經(jīng)過一場官司後，Nichia被判定應(yīng)該給這位研究人員日幣2億元。
　　
　　繼藍光LED技術(shù)突破後，白光LED正式啟動了廣泛的LED應(yīng)用風(fēng)潮，從顯示、指示及手機光源，到正在醞釀中的LCD-TV背光源，各種新機會的大門不斷被創(chuàng)意敲開。

2、LED技術(shù)

　　LED是繼1950年代矽(Si)半導(dǎo)體技術(shù)後，由三五族(III-V族)化合物半導(dǎo)體發(fā)展的半導(dǎo)體器件。LED的發(fā)光原理是利用半導(dǎo)體中的電子和空穴結(jié)合而發(fā)出光子，不同於燈泡需要在3000度以上的高溫下操作，也不必像日光燈需使用高電壓激發(fā)電子束，LED和一般的電子元件相同，只需要2-4V的電壓，在常溫下就可以正常動作，因此其壽命也比傳統(tǒng)光源來得更長。

　　LED所發(fā)出的顏色，主要是取決於電子與空穴結(jié)合所釋放出來的能量高低，也就是由所用的半導(dǎo)體材料的能隙所決定。同一種材料的波長都很接近，因此每一顆LED的光色都很純正，與傳統(tǒng)光源都混有多種顏色相比，LED可說是一種數(shù)字化的光源。

　　LED晶片大小可以因用途而隨意切割，常用的大小為0.3-1.0mm左右，跟傳統(tǒng)的燈泡或日光燈相比，體積相對小得多。為了使用方便，LED通常都使用樹脂包裝，做成5mm左右的各種形狀，十分堅固耐震。 

　　LED的制作過程與制作矽晶圓IC很相似，首先使用化學(xué)周期表中超高純度的III族元素——鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)，以及V族元素——氮(N)、磷(P)、砷(As)為材料，在高溫下反應(yīng)成為化合物，經(jīng)過單晶生長技術(shù)，制成單晶棒，經(jīng)過切割、研磨、拋光成為晶片，再將其作為基板(substrate)，使用磊晶技術(shù)將發(fā)光材料生長在基板上，制成的磊晶片經(jīng)過半導(dǎo)體鍍金和蝕刻工藝後，通過細切加工成LED晶粒。

　　值得注意的是，除了大家常見的可見光外，LED還有不可見光，如“紫外光”與“紅外光”等，例如電視遙控器就是一種紅外光應(yīng)用，其波長約為900nm，而紫外光則因為具有殺菌功能，所以被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療用途上。

LED主要向大功率和小體積兩個方向發(fā)展

(1)提高發(fā)光強度及發(fā)光效率

　　作為指示燈方面的應(yīng)用，有幾個mcd的發(fā)光強度也可以了，但由LED組成的數(shù)碼管或字元管則顯得亮度不足，若要用於戶外作信號或標顯示，則其亮度太低，不能滿足使用的要求。所以LED的主要發(fā)展方向是提高發(fā)光強度(也就是一般所指的提高亮度)。

　　隨著半導(dǎo)體材料及半導(dǎo)體工藝技術(shù)、設(shè)備的發(fā)展，LED的亮度不斷提高，開發(fā)出高亮度及超高亮度LED，并且不斷創(chuàng)造新記錄。以Φ5標準封裝、發(fā)紅光、視角差別不大的LED為例，不同生產(chǎn)年份LED的發(fā)光強度如表1所示。

　　從表1可以看出，近30年LED的發(fā)光強度提高了8000倍左右。1969-1987年LED的發(fā)光強度是很低的，發(fā)展很慢，但1994-2005年LED的亮度有很大的發(fā)展。表1列出的并非發(fā)光強度最高的。例如，在GaAs的襯底上采用AlInGaP工藝技術(shù)制成的Φ5、紅光LED，在小視角4