LED基礎(chǔ)知識(shí)之常見LED介紹

　　指藍(lán)色發(fā)光二極管。發(fā)光波長(zhǎng)的中心為470nm前后。用于照明器具和指示器等藍(lán)色顯示部分的光源、LED顯示屏的藍(lán)色光源以及液晶面板的背照燈光源等。與熒光體材料組合使用可得到白色光。目前的白色LED一般采用藍(lán)色LED與熒光材料相組合的構(gòu)造。

　　藍(lán)色LED得以廣泛應(yīng)用的契機(jī)，是日亞化學(xué)工業(yè)于1993年12月在業(yè)內(nèi)首次開發(fā)出了光強(qiáng)達(dá)1cd以上的品種。而在此之前，還沒(méi)有藍(lán)色純度較高且具有實(shí)用光強(qiáng)的LED。因此，采用LED的大尺寸顯示屏無(wú)法實(shí)現(xiàn)全彩顯示。

　　藍(lán)色LED的材料使用氮化鎵（GaN）類半導(dǎo)體。以前曾盛行用硒化鋅（ZnSe）類半導(dǎo)體開發(fā)藍(lán)色LED，但自從1993年12月采用GaN類半導(dǎo)體的高亮度藍(lán)色LED被開發(fā)出來(lái)后，藍(lán)色LED的主流就變成了采用GaN類半導(dǎo)體的產(chǎn)品。

羅姆的藍(lán)色LED的發(fā)光情景。

　　藍(lán)色LED的構(gòu)造為，在藍(lán)寶石或者SiC底板等的表面上，重疊層積氮化鋁（AlN）半導(dǎo)體層和GaN類半導(dǎo)體層。在稱為活性層、發(fā)藍(lán)色光的部分設(shè)置了使p型GaN類半導(dǎo)體層和n型GaN類半導(dǎo)體層重疊的構(gòu)造。

　　pn結(jié)是制作高亮度LED所必須采用的構(gòu)造。在使用GaN以外材料的紅色等LED中，pn結(jié)很早以前就是主流構(gòu)造。而在1993年高亮度藍(lán)色LED面世之前，采用GaN類材料難以實(shí)現(xiàn)pn結(jié)。原因是制成n型GaN類半導(dǎo)體層雖較為簡(jiǎn)單，但p型GaN系半導(dǎo)體層的制作則較為困難。之后，通過(guò)對(duì)在p型GaN類半導(dǎo)體層和n型GaN類半導(dǎo)體層之間配置的GaN類半導(dǎo)體層采用多重量子阱構(gòu)造，并進(jìn)一步改善GaN類半導(dǎo)體層的質(zhì)量，光強(qiáng)獲得了大幅提高。

綠色LED

　　發(fā)射綠光的二極管。發(fā)光中心波長(zhǎng)在560nm左右。用于霓虹燈和指示器、LED顯示器的光源以及液晶面板的背照燈光源等。

　　綠色LED與紅色LED及藍(lán)色LED相比，被認(rèn)為尚有較大的改進(jìn)余地。組合紅色LED、綠色LED和藍(lán)色LED構(gòu)成LED顯示器或液晶面板的背照燈光源時(shí)，為了調(diào)制成亮度高且均衡的白色，考慮到人眼的視覺靈敏度，RGB三色LED光量的分配比例需為約3:6:1或者約3:7:1。因綠色LED的亮度不足，因此必須使用多個(gè)綠色LED來(lái)提高輸出功率。綠色LED主要使用的GaN類半導(dǎo)體材料比用于藍(lán)色LED時(shí)的效率低，輸入相同的電力，光輸出功率較低。

　　這種狀況開始出現(xiàn)改觀。日本國(guó)內(nèi)外的大學(xué)和LED芯片廠商等已開始著手研究通過(guò)改變GaN結(jié)晶的成長(zhǎng)面，來(lái)大幅提高效率。如果GaN類半導(dǎo)體的結(jié)晶面得以改變，有可能會(huì)將綠色LED的效率提高至目前的2倍以上。

　　目前銷售的GaN類半導(dǎo)體綠色LED效率低下的原因主要在于壓電場(chǎng)。壓電場(chǎng)是指因結(jié)晶構(gòu)造的應(yīng)力而導(dǎo)致的壓電極化所產(chǎn)生的電場(chǎng)。市場(chǎng)上銷售的綠色LED多是以GaN結(jié)晶的極性面c面（0001）為成長(zhǎng)面，以其法線方向（c軸）為成長(zhǎng)軸的層積GaN類半導(dǎo)體層等。通過(guò)改變成長(zhǎng)軸來(lái)減弱壓電極化，以與GaN類結(jié)晶的c面垂直的稱為a面或m面的非極性面，或者相對(duì)于c面傾斜的半極性面為成長(zhǎng)面，以每個(gè)面的法線方向?yàn)槌砷L(zhǎng)軸的綠色LED的研究非常活躍。

紅色LED

　　發(fā)射紅光的二極管。發(fā)光中心波長(zhǎng)在620～630nm左右。主要用于霓虹燈、指示器、汽車尾燈和信號(hào)機(jī)等中的紅色顯示部分的光源、LED顯示器的紅色光源以及液晶面板的背照燈光源等，應(yīng)用范圍廣泛。

　　目前，紅色LED的主流材料是A lInGaP化合物半導(dǎo)體。AlInGaP因使用Al，Ga，In和P這4種元素，所以稱為4元材料。在LED領(lǐng)域4元材料一般就是指AlInGaP。不僅僅是紅色，AlInGaP還涵蓋了從紅色到黃色的波長(zhǎng)范圍。

　　進(jìn)入20世紀(jì)90年代后AlInGaP的亮度迅速增加。這是由于以MOCVD法為代表的氣相外延成長(zhǎng)技術(shù)取得進(jìn)步，結(jié)晶的質(zhì)量得以提高的結(jié)果。而在AlInGaP面世以前，GaAs類半導(dǎo)體為主流材料。采用的是液相外延成長(zhǎng)技術(shù)。

羅姆的紅色LED的發(fā)光情景

　　紅色LED與藍(lán)色LED及綠色LED相比，驅(qū)動(dòng)電壓和溫度特性有所不同。這是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料不同，紅色LED采用AlInGaP，而藍(lán)色LED和綠色LED采用GaN類材料。驅(qū)動(dòng)電壓（正向電壓）方面，紅色LED為2V以上，而藍(lán)色LED和綠色LED為3V以上。溫度特性方面，紅色LED的輸出功率會(huì)因溫度影響而發(fā)生較大的變化，高溫時(shí)輸出功率的降低比綠色LED和藍(lán)色LED要明顯。因這些特征上的差異，液晶面板的背照燈和LED顯示器等組合使用紅色LED、藍(lán)色LED和綠色LED時(shí)就需要采取相應(yīng)的措施。例如，利用色彩傳感器監(jiān)測(cè)紅色LED的特性變化，還需要提高LED的散熱性能等。

　　※InGaN和AlInGaP在綠色波長(zhǎng)帯的外部量子效率均大幅下降。

　　發(fā)射紫外光的二極管。一般指發(fā)光中心波長(zhǎng)在400nm以下的LED，但有時(shí)將發(fā)光波長(zhǎng)大于380nm時(shí)稱為近紫外LED，而短于300nm時(shí)稱為深紫外LED。因短波長(zhǎng)光線的殺菌效果高，因此紫外LED常用于冰箱和家電等的殺菌及除臭等用途……

　　發(fā)射紫外光的二極管。一般指發(fā)光中心波長(zhǎng)在400nm以下的LED，但有時(shí)將發(fā)光波長(zhǎng)大于380nm時(shí)稱為近紫外LED，而短于300nm時(shí)稱為深紫外LED。因短波長(zhǎng)光線的殺菌效果高，因此紫外LED常用于冰箱和家電等的殺菌及除臭等用途，以及與熒光體組合發(fā)出可視光的LED等用途。例如將紅色、綠色和藍(lán)色熒光體與紫外LED組合，可獲得白色LED。

　　紫外LED主要采用GaN類半導(dǎo)體。產(chǎn)品方面，日亞化學(xué)工業(yè)上市了發(fā)光中心波長(zhǎng)從365nm～385nm不等的品種，Nitride Semiconductor上市了發(fā)光中心波長(zhǎng)為355nm～375nm不等的品種。

日亞化學(xué)工業(yè)2002年發(fā)布的紫外LED
LED芯片的尺寸為1mm×1mm，為普通LED的10倍，而且收納于具有金屬封裝內(nèi)。

　　波長(zhǎng)不足300nm的深紫外LED的開發(fā)活動(dòng)也很活躍。2008年理化學(xué)研究所和松下電工曾公布，采用GaN類半導(dǎo)體的InAlGaN開發(fā)出了發(fā)光中心波長(zhǎng)為282nm，光輸出功率為10mW的深紫外LED。波長(zhǎng)更短的深紫外LED方面，NTT物性科學(xué)基礎(chǔ)研究所采用AlN材料開發(fā)出了發(fā)光中心波長(zhǎng)為210nm的深紫外LED。

　　紅外LED

　　發(fā)射紅外光線的二極管。一般指發(fā)光中心波長(zhǎng)超過(guò)700nm的LED。多用作遙控器和紅外線通信的光源、測(cè)距傳感器光源、光電耦合器光源以及打印機(jī)機(jī)頭的光源等。紅外LED使用AlGaAsP等GaAs類半導(dǎo)體材料。

　　紅外LED的正向電壓約為1.5V。與紅色LED的2V以上和藍(lán)色LED的3V以上相比要低。

　　紅外LED的歷史悠久。1962年就發(fā)現(xiàn)了利用以GaAs為代表的III-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的pn結(jié)可放射出相當(dāng)于紅外光的電磁波的現(xiàn)象。