LED技术及应用

LED元件在2005年的全球市场规模约为57.4亿美元，其中50%在日本，20%在台湾。除了各种应用照明、户外建筑及手机背光源等应用外，业界正在积极找寻各种新应用。本文介绍了LED的基本原理、技术趋势，以及市场动态。

LED产业趋势

发光二极管(LED是利用光辐射原理来发光的，其发光颜色与制作材料有很密切的关系。LED技术的开发，从早期的红光、绿光，一直到开发成功蓝光LED，才通过整合红、蓝、绿，或把蓝光荧光粉与黄色荧光粉混合，成为白光LED。成功开发出白光LED的最大好处，是可以应用於多波长，让运用领域变得广泛而深远。

1、LED产业的发展

　　早在1907年开始，人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象，但生产出有一定发光效率的红光LED已是1969年了。1994-1995年人们开发成功了蓝光LED，并在1998年实现了真正商品化。2000-2002年间，研发人员不断追求成本效益，使LED成功打入手机背光源市场。到今天，LED已生产了30多年，各种类型的LED、利用LED作二次

　　开发的产品及与LED配套的产品(如白光LED驱动器)发展迅速，新产品不断上市，并已发展成为一种新型产业。

　　LED技术研发之路，最为人津津乐道的故事，就是开发蓝光LED时，碳化矽(SiC)与氮化镓(GaN)两大门派之争。这也是许多研发团队辛勤投入开发蓝光LED元件时，必须痛苦抉择的两条截然不同的道路。

　　之前，全球许多大公司皆投入SiC研发，结果日本一家专门做荧光粉业务的公司——日本日亚化工公司(Nichia Chemical Industries Ltd.)的研发人员中村修二先生(Shuj Nakamura)於1994年和1995年，在氮化镓(GaN)研究方面获得重大突破，并取得震惊全球的专利。这位研发人员的重大突破，引发了包括Sony及Toshiba等大厂的最高主管都出面为自己所做的错误决策导致技术落後而道歉。这位Nakamura的技术突破，让氮化镓(GaN)阵营正式快速超越SiC。

　　原本做荧光粉业务的Nichia由於在蓝光LED技术上的成功，使其年营业额从约1亿美元快速发展到2003年的9亿美元。而原本该公司准备发给Nakamura的专利奖励金是日币200万元，经过一场官司後，Nichia被判定应该给这位研究人员日币2亿元。

　　继蓝光LED技术突破後，白光LED正式启动了广泛的LED应用风潮，从显示、指示及手机光源，到正在酝酿中的LCD-TV背光源，各种新机会的大门不断被创意敲开。

2、LED技术

　　LED是继1950年代矽(Si)半导体技术後，由三五族(III-V族)化合物半导体发展的半导体器件。LED的发光原理是利用半导体中的电子和空穴结合而发出光子，不同於灯泡需要在3000度以上的高温下操作，也不必像日光灯需使用高电压激发电子束，LED和一般的电子元件相同，只需要2-4V的电压，在常温下就可以正常动作，因此其寿命也比传统光源来得更长。

　　LED所发出的颜色，主要是取决於电子与空穴结合所释放出来的能量高低，也就是由所用的半导体材料的能隙所决定。同一种材料的波长都很接近，因此每一颗LED的光色都很纯正，与传统光源都混有多种颜色相比，LED可说是一种数字化的光源。

　　LED晶片大小可以因用途而随意切割，常用的大小为0.3-1.0mm左右，跟传统的灯泡或日光灯相比，体积相对小得多。为了使用方便，LED通常都使用树脂包装，做成5mm左右的各种形状，十分坚固耐震。

　　LED的制作过程与制作矽晶圆IC很相似，首先使用化学周期表中超高纯度的III族元素——铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)，以及V族元素——氮(N)、磷(P)、砷(As)为材料，在高温下反应成为化合物，经过单晶生长技术，制成单晶棒，经过切割、研磨、抛光成为晶片，再将其作为基板(substrate)，使用磊晶技术将发光材料生长在基板上，制成的磊晶片经过半导体镀金和蚀刻工艺後，通过细切加工成LED晶粒。

　　值得注意的是，除了大家常见的可见光外，LED还有不可见光，如“紫外光”与“红外光”等，例如电视遥控器就是一种红外光应用，其波长约为900nm，而紫外光则因为具有杀菌功能，所以被广泛应用在医疗用途上。

LED主要向大功率和小体积两个方向发展

(1)提高发光强度及发光效率

　　作为指示灯方面的应用，有几个mcd的发光强度也可以了，但由LED组成的数码管或字元管则显得亮度不足，若要用於户外作信号或标显示，则其亮度太低，不能满足使用的要求。所以LED的主要发展方向是提高发光强度(也就是一般所指的提高亮度)。

　　随著半导体材料及半导体工艺技术、设备的发展，LED的亮度不断提高，开发出高亮度及超高亮度LED，并且不断创造新记录。以Φ5标准封装、发红光、视角差别不大的LED为例，不同生产年份LED的发光强度如表1所示。

　　从表1可以看出，近30年LED的发光强度提高了8000倍左右。1969-1987年LED的发光强度是很低的，发展很慢，但1994-2005年LED的亮度有很大的发展。表1列出的并非发光强度最高的。例如，在GaAs的衬底上采用AlInGaP工艺技术制成的Φ5、红光LED，在小视角4