LED發展歷程

　　1907年Henry Joseph Round第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發光現象，由于其發出的黃光太暗，不適合實際應用，更難處在于碳化硅與電致發光不能很好的適應，研究被摒棄了。

　　20世紀20年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard在德國使用從鋅硫化物與銅中提煉的的黃磷發光，再一次因發光暗淡而停止。

　　1936年,George Destiau出版了一個關于硫化鋅粉末發射光的報告，隨著電流的應用和廣泛的認識，最終出現了“電致發光”這個術語。

　　20世紀50年代，英國科學家在電致發光的實驗中使用半導體砷化鎵發明了第一個具有現代意義的LED，并于60年代面世。第一個商用LED僅僅只能發出不可視的紅外光，但迅速應用于感應與光電領域。

　　60年代初，在砷化鎵基體上使用磷化物發明了第一個可見的紅光LED，磷化鎵的改變使得LED更高效、發出的紅光更亮，甚至產生出橙色的光。當時所用的材料是GaAsP，發紅光(λp=650nm)，在驅動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應的發光效率約0.1流明/瓦。

　　到70年代中期，引入元素In和N，使LED產生綠光(λp=555nm)，黃光(λp=590nm)和橙光(λp=610nm)，光效也提高到1流明/瓦；就在此時，俄國科學家利用金剛砂制造出發出黃光的LED，盡管它不如歐洲的LED高效；但在70年代末，它能發出純綠色的光。

　　80年代早期到中期對砷化鎵磷化鋁的使用使得第一代高亮度的LED的誕生，先是紅色，其LED的光效達到10流明/瓦接著就是黃色，最后為綠色。

　　到20世紀90年代早期，采用銦鋁磷化鎵生產出了桔紅、橙、黃和綠光的LED。在很長的一段時間內都無法提供發射藍光的LED，設計工程師僅能采用已有的色彩：紅色、綠色和黃色，早期的“藍光”器件并不是真正的藍光LED，而是包圍有藍色散射材料的白熾燈。第一個有歷史意義的藍光LED也出現在90年代早期(日亞公司1993宣布，中村修二博士發明)，再一次利用金鋼砂—早期的半導體光源的障礙物。依當今的技術標準去衡量，它與俄國以前的黃光LED一樣光源暗淡。

　　90年代中期，出現了超亮度的氮化鎵LED，當前制造藍光LED的晶體外延材料是氮化銦鎵(InGaN)，發射波長的范圍為450nm至470nm，氮化銦鎵LED可以產生五倍于氮化鎵LED的光強。超亮度藍光芯片是白光LED的核心，在這個發光芯片上抹上熒光磷，然后熒光磷通過吸收來自芯片上的藍色光源再轉化為白光，利用這種技術可制造出任何可見顏色的光，今天在LED市場上就能看到生產出來的新奇顏色，如淺綠色和粉紅色。

　　在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(λp=615nm)的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區域(λp=530nm)的光效可以達到50流明/瓦。

　　近期開發的LED不僅能發射出純紫外光而且能發射出真實的“黑色”紫外光，LED發展史到底能走多遠還不得而知，也許某天就能開發出能發X射線的LED。然而，LED的發展不單純是它的顏色還有它的亮度，像計算機一樣，遵守摩爾定律的發展，即每隔18個月它的亮度就會增加一倍，曾經暗淡的發光二極管現在真正預示著LED新時代的來臨。

照明用LED高亮度白光是怎樣生成的

　　白光LED基本上有兩種方式，一種是多晶片型，一種是單晶片型。前者是將紅綠藍三種LED封裝在一起，同時使其發光而產生白光，后者是把藍光或者紫光、紫外光的LED作為光源，在配合使用熒光粉發出白光。前者的方式，必須將各種LED的特性組合起來，驅動電路比較復雜，后者單晶片型的話，LED只有1種，電路設計比較容易。

　　單晶片型進一步分成兩類，一類是發光源使用藍光LED，以460nm波長的藍光晶粒涂上一層YAG螢光物質，利用藍光LED照射此一螢光物質以產生與藍光互補的555nm波長黃光，再利用透鏡原理將互補的黃光、藍光予以混合，便可得出所需的白光(日亞專利)，生產較容易，其效率較高，成本較低，目前大部分白光LED采用此方法；另一類是使用近紫外和紫外光，豐田合成(Toyoda Gosei)與東芝所共同開發的白光LED，是采用紫外光LED與螢光體組合的方式，與一般藍光LED與螢光體組合的方式做區隔。藍光LED與螢光體的組合方式，當照在紅色物體的時候，其紅色的色澤效果比較不理想，紫外光LED與螢光體組合可以彌補這個缺點，但是，其發光效率卻仍低于藍光LED與螢光體組合的方式，至于價格與產品壽命，兩者差距不大。

　　在過去，只有藍光LED使用GaN做為基板材料，但是現在從綠光領域到近紫外光領用的LED，也都開始使用GaN化合物做為材料了。并且伴隨著白光LED應用的擴大，市場對其效能的期待也逐漸增加。從單純的角度來看，高效率的追求一直都是被市場與業者所期待的。

　　但是另一方面，演色也將會是一個重要的性能指標，如果只是做為顯示用途的話，發光色為白色可能就已經足夠了，但是從照明的用途來說，為了達到更高效率，如何實現與自然光接近的顏色就顯得非常必要了。

LED發光效率影響因素

　　LED的發光強度及發光效率的提高主要取決于采用的半導體材料及其工藝技術的發展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半導體材料)和GaAsP(三元素半導體材料)，1994年左右采用AlInGaP(四元素半導體材料)后，其發光強度及發光效率有很大的提高。另外，在工藝技術上采用在GaAs襯底上用AlInGaP材料生產的紅光、黃光LED及在SiC襯底上用InGaN材料生產的綠光、藍光LED，在發光強度及發光效率上有較大的改進。

　　LED的發光強度與正向電流IF幾乎成線性關系，即增加正向電流IF可增加發光強度。但LED有一個最大功耗PD值的限制，PD=VF×IF(VF為正向壓降)，若過大地增加IF而使PD超過最大值時，LED會過熱而損壞。為了要提高發光強度，開發出中功率LED(一般為幾百mW)，其工作電流也提高到70mA。為進一步提高發光強度，業者開發出了大功率LED，其功率一般為1～10W(有一些還大于10W)，它的工作電流一般為350～700mA，有些可達1A以上。

　　市場希望只需一顆就可達到相當亮度的LED，在這一方面的技術落在如何讓LED能夠支援更大的電流。通常30um2的LED最大可以驅動30mA的電流，但是這樣的結果遠遠無法滿足市場的期望，所以目標是需要將10倍以上的電流，導通到LED元件中。因此當LED的面積尺寸可以擴充到1mm2時，那么緊接下來的工作便是如何讓電流值能夠達到350~500mA，因為驅動電壓是3V多，所以就可以有1W的電力能被流進1mm2的晶片面積。

　　而在發光演色的方面，雖然有這么大的功率輸入到GaN LED中，但是所投入電力的四分之三都無法轉換成光而形成熱量，因此LED就會出現過熱的現象，這也會直接影響到LED的演色結果。因為LED元件的基本特性是，如果溫度上升，發光效率就會下降以及造成演色性偏差，所以如何有效的釋放大量產生熱量的放熱技術成為了關鍵，因此將LED裝在熱傳導率大、熱容量大的材料上就成了相當重要的問題，目前大多是使用有價金屬或者陶瓷。

　　在現有的發光效率下，如果需要一定程度高輝度，期望因為增加電流量來產生較大亮度的話，這就必須考量如何增加LED的面積來滿足所增加的電流，或者利用將數顆小型LED封裝在同一個模組之中，來實現封裝模組對電流量容許值的提高。在目前的發光效率下，熱效應也會成比例的上升，另外，大面積LED比小面積LED的電阻來得要高，使得大面積LED本身的效應也比較大，如果單純以現有LED為基礎來提高輝度的話，將會陷入一個因LED本身價格，和散熱材料的成本過高而產生的惡性循環之中，這和以低成本化為基礎的市場特性是背道而馳的，而且熱效應量的上升會引起封裝材料的熱劣化，對其使用壽命也有很大的影響。

　　由于上述理由，為了擴大未來的白光LED市場，業者就必須提高LED的外部量子效率，如果實現了LED高外部量子效率來提高發光效率的話，所出現的連鎖反應就會下降，例如因為減少電流透過而使得熱效應比率降低，實現成本的下降和長壽命化。關于這一方面，目前因為透過局部制程的改變、使用不同的化合物半導體材料、各種白色發光方法的開發，以及新一代熒光粉的開發，已經使得LED的發光效率可以達到100lm/W。但現在使用白光LED的發光效率，除了一部分的制品之外，產業化的大多都在30~50lm/W左右。如果要代替節能燈就需要將亮度提升到80~100lm/W，如果要代替使用在汽車頭燈上的HID的話，就更需要提高到120lm/W以上的發光效率。就技術上，如果藍光LED芯片的光輸出效率如果達到360mW，配合高階技術的封裝能力，獲得100lm/W的白光輸出并不困難，包括Cree、日亞等的業者在2006年已開發出高亮度的藍光LED芯片，緊接著之后的如何降低外部量子效率的損耗便是考驗者封裝業者的能力，如必須設法減少熱阻抗、改善散熱等等問題，目前的做法包括了：降低芯片的熱阻抗、控制模塊和印刷電路板的熱阻抗、提高芯片的散熱性等等。為了擴大LED特別是白光LED的用途，如何提高發光的效率、相應的輝度、延長使用壽命、降低熱效應，以及降低每單位照明的成本等條件，這需要業界做出持續不斷的努力。

　　在使用壽命的方面，目前已經都能夠實現4萬小時后才開始進入高峰衰退期的使用時間，但這卻只能滿足照明的最低要求，照明領域所需要的是更高的使用壽命，現在已經有客戶要求LED業者提高壽命的要求，要求4萬小時是達到高峰期的70%，也就是說高峰衰退期的使用時間是5.7萬小時，而整體的使用壽命題將會提高到11.4萬小時，比起目前的8萬小時增加了近1/3。另一方面，LED的高峰衰退期是根據投入電量和點燈方法的不同有很大的變動，所以不可能明確定義，使得這一方面還是有一些問題存在。具體上白光LED的長壽命化，大多是透過封裝材料的改變來達到，例如由目前的環氧樹脂變為silicon來防止樹脂黃變，在此同時還能夠維持光通量，此外還有包括，采用D/B材料和反射結構的劣化防止技術，來達到改善熱效應實現低溫驅動。

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