半导体照明概况.ppt

1、半导体照明材料,演讲人：王浩 武春锦,目录,固态照明概况,电光源的历史,半导体发光二极管,第三代半导体材料,半导体照明的来临,未来的前景,半导体照明发展现状,目录,固态照明概况,电光源的历史,半导体发光二极管,第三代半导体材料,半导体照明的来临,未来的前景,半导体照明发展现状,火人类的文明,灯延续历史几千年,目录,固态照明概况,电光源的历史,半导体发光二极管,第三代半导体材料,半导体照明的来临,未来的前景,半导体照明发展现状,1879年爱迪生发明白炽灯,荧光灯将电光源带入新天地,目录,固态照明概况,电光源的历史,半导体发光二极管,第三代半导体材料,半导体照明的来临,未来的前景,半导体照明发展现

2、状,半导体照明概述,一、半导体照明半导体照明是指用全固态发光器件（发光二极管，即LED，是由半导体材料制成的光电器件，可将电能直接转换为光能）作为光源的照明，具有高效、节能、环保、寿命长、易维护等显著特点，是近年来全球最具发展前景的高新技术领域之一，是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一场照明光源的革命。,半导体照明 (LED),二、LED（Light Emitting Diode ）,LED，是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，空穴占主导地位，另一端

3、是N型半导体，主要是电子。这两种半导体相连就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。,LED构造图,三、LED产业链LED产业链大致可分为五部分：原材料，LED上游产业，LED中游产业，LED下游产业，测试仪器和生产设备。,1、原材料LED的原材料包括衬底材料砷化镓、氮化铝、磷化镓、磷砷化镓、铟镓铝磷、铟镓氮等。它们大部分是IIIV族化合物半导体单晶，生产工艺比较成熟。原材料的纯度一般都要在6N以上。,2、LED上游产业主要是指LED发光材料外延制造和芯片制造。由于外延工艺的高度

4、发展，器件的主要结构如发光层、限制层、缓冲层、反射层等均已在外延工序中完成，芯片制造主要是做正、负电极和完成分割检测。,3、LED中游产业 是指LED器件封装产业。根据用于现实、照明、通信等不同场合，封装出不同颜色、不同形状的品种繁多的LED发光器件。,4、LED下游产业是指应用LED作为显示或照明器件后形成的产业。主要的应用产业有LED显示屏、LED交通信号灯、LED航标灯、 LED景观灯饰、液晶背光源、LED车灯、LED特殊照明等。,水立方景观照明,鸟巢景观照明,篔筜湖畔的LED照明,中山路商业街的LED照明,位于湖滨北路的中闽大厦,5、测试仪器和生产设备测试仪器主要有：外延材料方面的X射

5、线双晶衍射仪、荧光谱仪、卢瑟福背散射沟道谱仪等；芯片、器件测试仪器方面的 LED光电特性测试仪、光谱分析仪等。生产设备包括金属有机化合物化学气相淀积仪(Metal-organic Chemical Vapor DePosition ，缩写MOCVD) 、液相外镀炉、光刻机、划片机、全自动固晶机、金丝球焊机、硅铝丝超声压焊机、灌胶机、真空烘箱、芯片计数仪、芯片检测仪、倒膜机、光色点全自动分选机等。,厦门为中国七大LED产业基地之一，首批4个半导体照明工程产业化基地之一（大连、上海、南昌和厦门 ），已经成为中国大陆地区光电产业快速发展的重要城市 。厦门生产LED外延片、芯片的企业有四家，即厦门三安

6、光电、联厦光电、明达光电、乾照光电，芯片总产量约占祖国大陆自产芯片的25%。封装企业有十几家，下游应用企业有50多家，还有与之配套的荧光粉、环氧树脂、塑料镜头、蓝宝石外延材料、各种辅助材料和模具等生产厂，形成了较完整的产业链。2009年厦门市光电产业实现产值404.39亿元，首次突破400亿元，销售收入398.72亿元。2009年，产值及销售同时超亿的厦门市光电企业有29家。2009年厦门市节能灯照明出口占有量继续保持全球市场20%以上，为全球高端节能照明的制造和出口基地。,四、厦门市LED产业简介,LED光源的特点,电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它

7、是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 稳定性：10万小时，光衰为初始的50% 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级 对环境污染：无有害金属汞 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的

8、价格相当，而通常每组信号灯需由上300500只二极管构成。,LED的发展历史,1965年世界上的第一只商用化LED诞生，用锗制成，单价45美元，为红光LED，发光效率0.1 lm/w 1968年利用半导体搀杂工艺使GaAsP材料的LED的发光效率达到1 lm/w, 并且能够发出红光、橙光和黄光 1971年出现GaP材料的绿光LED，发光效率也达到1 lm/w,LED的发展历史,80年代，重大技术突破，开发出AlGaAs材料的LED，发光效率达到 10 lm/w 1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，发光效率达到 4050 lm/w 1990年基于SiC材料的蓝光LED出现，

9、发光效率为0.04 lm/w 90年代中期出现以蓝宝石为衬底的GaN蓝光LED，到目前仍然为该技术,单色光LED应用,最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。,汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽

10、车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。 另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了广泛的应用。,深圳宝安国际机场A楼出发大厅LED显示媒体近景,屏幕显示面积：5.3米 X 3.5米 = 18 平方米, 深圳宝安国际机场A楼出发大厅LED显示媒体实景,目录,固态照明概况,电光源的历史,半导体发光二极管,第三代半导体材料,半导体照明的来临,未来的前景,半导体照明发展现状,半导体材料的分代,以硅Si为代表的半导体材料为第一代半导体材料 以砷化镓GaAs为代表的化合物半导体材料为第二代半导体材料 以氮化镓GaN为代表的

11、宽带隙化合物半导体材料为第三代半导体材料,GaN半导体材料特点,宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（2.36.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围 ，是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的 高频特性，可以达到300G Hz（硅为10G，砷化镓为80G）,高温特性，在300正常工作（非常适用于航天、军事和其它高温环境） 耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境） 高压特性（耐冲击，可靠性高） 大功率（对通讯设备是非常渴望的）,GaN半导体材料特点,GaN外延片生产,通过MOCVD进行GaN单晶膜外延生长用蓝宝石为衬底材料用高纯氨气提供氮源用金属有机源提供镓、铟、铝源通过金属有机

12、源化学气相沉积的方法进行生长,GaN基LED外延片,MOCVD系统,目前国际上MOCVD的价格在每台440万美元左右，按人民币计算接近3000万元 。生产企业主要有：德国的Aixtron公司、美国的Emcore公司、英国的Thomas Swan公司等。,GaN基LED芯片生产,通过几十道工序，将GaN外延片加工成为LED芯片，标准芯片的尺寸为0.3X0.3mm一片2”外延片可以加工10000多颗LED芯片,GaN基蓝绿光LED芯片,GaN基大功率蓝光LED芯片,GaN半导体光电器件应用,蓝、绿光LED全彩色大屏幕交通信号灯背光源、仪器仪表指示灯景观光源,蓝、绿、白光LED,室外大LED全彩色屏

13、幕,LED交通信号灯,城市建筑装饰灯光工程,花旗银行大厦,半导体照明（LED）锂电池矿灯,近百年来，国内外矿工普遍采用由铅酸电池和白炽灯组成的帽灯，这种帽灯体积很大重量接近3Kg。使用过程中，铅酸电池需要经常加酸补液，维护工作量很大，同时硫酸电解液溢出时有可能烧破衣服甚至烧伤皮肤。此外由于白炽灯的寿命很短，在井下工作时，若灯泡烧坏，将严重影响采煤工作。这种矿灯的安全性能很差，外部发生短路时，将产生很强的火花，有可能引起瓦斯爆炸。,矿灯选用LED作光源后，照度和寿命大大提高，功耗也大大降低。矿灯选用锂电池是减轻重量减小体积的必然选择，但是由于目前大量应用的钴酸锂和锰酸锂电池，存在着燃烧甚至爆炸的

14、危险。最近我们配合有关锂电池生厂商推出了磷酸铁锂电池，使锂电池的安全性能大大提高。目前这种新型矿灯国内已有数十家工厂生产，并且国营大中型煤矿已普遍采用，有些产品已开始出口。,矿用隔爆不断电LED巷道灯,过去矿井巷道内普遍采用隔爆白炽灯。这种灯具耗电量特别大、寿命短、照度低。近年来大部分矿井开始采用隔爆荧光灯。由于巷道内需要昼夜连续照明，白炽灯和荧光灯的耗电量较大寿命较短，每年所需电费很高而且每年都要投入大量的人力和物力，更换维护巷道灯，通常更换巷道灯时，需切断电源，因而也影响生产。此外矿井内许多重要的场所要求不间断照明，为此采用白炽灯和荧光灯时，必须配置容量很大的蓄电池和逆变器，不仅成本增加，

15、供电可靠性也较差。隔爆不断电LED巷道灯采用多阵列LED作光源，很容易实现不断电应急照明。电源供电正常时，各阵列LED都点亮，同时蓄电池充电，电源中断后，灯内的磷酸铁锂电池给一组LED阵列供电，功耗很小。两只500mAh电池可供电10小时，这种巷道灯已经在多家矿井试用，用户反映极好。虽然目前成本较高，但两年节省的电费和维护费即可补偿一次性投资。,太阳能LED照明系统,由于偏远地区都远离供电网，架设输电线路的投资非常大，线路损耗也十分惊人。为此通常都采用太阳能光伏电源供电。在这种供电系统中采用LED作光源，可节省大量的电能。虽然LED灯目前成本较高，但是在要求同样照明功率和照明时间的条件下，光伏

16、电池组件和贮能蓄电池的容量可减小60%，同时半导体照明灯由直流电压供电，可省去将直流电变为交流电的逆迹器，这样不仅提高了供电效率和供电系统的可靠性，还大幅度降低了系统成本。该产品还可用于高速公路遂道照明、太阳能路灯、太阳能庭院灯等。,室内LED照明灯具,LED照明灯虽然具有很多优点，但是由于它的照射角度有一定限制，用作室内照明灯具有一定的困难。多层LED阵列特殊结构研制的LED灯泡，不但解决泛光照明的要求，还很好的解决了LED的散热问题，LED驱动器模块可满足很宽的输入电压要求（交流和直流24V280V），可适用任何于国家任何和地区的电网要求。LED灯管采用了远光、近光配光系统，可以满足各种不

17、同的要求。8W LED灯管可取代20W日光灯，3-10W LED灯泡可取代60-100W白炽灯泡。普通照明LED灯采用符合人体视觉科学的配光曲线，可进入千家万户使用。这些室内照明灯具根据用户的要求还可增加应急照明功能，从而可取代目前广泛应用的应急灯。,GaN半导体光电器件应用,蓝光激光器（BLD）蓝光DVD，双面双密度容量为20G，取代现有红 光DVD，是以后数字电视存储的必由之路激光打印和显示，生物医疗仪器和设备 ，光谱测量系统 可用于军事领域，450550nm的蓝-绿光波段对海水是透光的，所以BLD可通过空间卫星、机载平台直接用来对海底潜艇通信，大大提高潜艇的隐蔽性和保密性。这是军事部门长

18、久渴望实现的技术手段。,中国汉级核潜艇,索尼全球首台蓝光DVD刻录机BDZ-S7,目录,固态照明概况,电光源的历史,半导体发光二极管,第三代半导体材料,半导体照明的来临,未来的前景,半导体照明发展现状,优异的性能,白光LED固体冷光源，效率高，绿色环保寿命长，可以达到10万小时（连续10年）低电压工作是照明领域的又一次革命,光源使用寿命长,LED灯的理论寿命可达10万小时，实际使用寿命超过5万小时，按每天点亮10小时，LED灯可用5000天，因此LED灯可用10年以上。灯内控制电路采用高质量设计，可工作10年以上。白炽灯的平均寿命只有1000小时，其他光源的平均寿命也只有3000-8000小时

19、，远远低于LED灯的寿命。由于LED灯的寿命很长，不需要经常更换，因此可大大节省维护费用。,光效高 节电显著,电光源每W电功率产生的光通量称为光效，单位为Lm/w。普通白炽灯的光效为15Lm/w，LED的光效可达到200Lm/w，约为白炽灯的10倍以上。与同亮度白炽灯相比，LED照明灯可节省80-90%电能。如果每只路灯的功率由400W减小到100W，每天照明时间按10小时计算，每天可节电3000Wh，按每度电.0.5元计算，每天可节省电费1.5元，全年每只路灯节省电费547元，两年节省的电费远高于LED灯的成本。由于LED灯特别省电，因此供电电缆的线径可能大大减小，因而可节省初期投资。应当特

20、别指出的是：由于LED灯特别省电，因此有可能实现太阳能电池供电。过去每只路灯的功率都在250W-400W之间，如果采用太阳能电池供电，所需太阳能电池的容量和蓄电池的容量非常大，成本特别高。LED路灯和庭院灯功率约为30W-50W，因此所需太阳能电池和蓄电池的容量较小，可以大大减小初期投资。据估算，全国若有三分之一的照明灯具使用LED灯，每年节约的电费可重建一个三峡工程，对建立节约型社会是一个巨大的贡献，而且间接地减轻了因火力发电造成的严重环境污染及不可再生资源的消耗。,光通量稳定、不波动、 无频闪效应危害,电光源发出的光通量不稳定，产生光波动称为频闪。频闪超过一定范围后，在灯光下将产生视觉疲劳

21、，长期视觉疲劳会损伤人的视觉系统。LED照明灯采用恒定直流电流驱动，不会产生任何频闪，对人体没有任何危害。日光灯、白炽灯、高压汞灯、钠灯等光源均采用交流电源供电，光通量的波动深度在55-65%，波动频率为100周，频闪效应的危害性极大。,显色性能好 不会产生色偏,显色性表示光对颜色的还原程度。在显色性较低的灯光下（一般日光灯显色指数为6070）看东西，眼睛对颜色的分辨能力低，容易造成视觉疲劳。绿色照明灯要求显色指数应大于或等于85。LED灯显色指数完全可以满足绿色照明灯的要求。,白光LED的构成方式,基于蓝光LED，通过荧光粉激发一个黄光，组合成为蓝光 通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光 基

22、于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光,对于一般照明，或显示器的背照光而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（=465nm，谱宽=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，

23、可以获得色温3500-10000K的各色白光。,白色LED照明灯,地砖灯,礼品灯,手电筒,美国国家半导体照明计划,从2000年起国家投资5亿美元 到2010年 55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯取代 每年节电达350亿美元 2015年形成每年500亿美元的半导体照明产业市场,日本21世纪照明计划,投入资金50亿日元 到2007年 30%的白炽灯被置换为半导体照明灯,欧盟的彩虹计划,应用半导体照明实现： 高效 节能 不使用有害环境的材料 模拟自然光,韩国“固态照明计划”,2004年-2008年韩国政府计划投入1亿美元，企业提供30%的配套资金，近期开始实施，预计2008年LED的发光效率达到80l

24、m/W,中国专家的呼吁,我国有近百名专家（两院院士）联名向国务院呼吁，以三峡工程的5%费用，支持我国的半导体照明产业，用5-10年的时间的努力，1/3照明应用半导体照明，每年可以节约的电量1000亿度，多于一个三峡水电站的发电量（800亿度） 国家启动国家半导体照明工程,各国及地区半导体照明研发计划表 （单位：lm/w）,2003年以来，大功率LED的应用逐步推开，价格也随之大幅降低。以功率为1W的白光LED来对比，2003年单颗价格为5-6美元，到2007年则降到2-3美元，而光效则由30lm/W提升到2007年的70-80lm/W。但对比2007年到现在的1W白光LED单颗价格，目前仍然维

25、持在2-3美元，不同的是光效提升到了80-90lm/W。目前有能力大批量供应白光LED功率芯片及LED器件厂商仍局限在Lumileds、Cree、Osram、Nichia以及台湾的晶电等为数不多的厂商，伴随着功率白光LED应用的高速增长及其光效的不断提升，预计其单颗LED价格不会有过大的降幅。,LED照明市场一角(掠影),全球LED市场规模与增长率 单位：百万美元,在2008年，NB背光源、汽车照明市场、LED路灯等新应用将持续带动LED产业成长。预期在2010年以后，将由半导体照明应用为LED带来另一波成长的契机。,全球白炽灯禁用时间表,全球白炽灯禁用时间表,近2-3年半导体照明的重点,20

26、07年LED照明产值达48亿元，2010年预计98亿元。2009年LED照明渗透率可望有1.5%，比2008年倍增，总产值预计可达13亿美元。 路灯 2008年中国路灯市场规模大约1,500万盏左右，其中LED路灯的装置数量大约在50万盏。2009年中国LED路灯市场的装置数量预计将高达250万盏左右。 广东省2年内在10个城市实现“千里十万工程” 瓦房店市7万盏LED路灯，年节约电费500多万元 潍坊 2万盏LED路灯 天津工业大学实现5000盏LED路灯 室内照明,来源LEDinside,目录,固态照明概况,电光源的历史,半导体发光二极管,第三代半导体材料,半导体照明的来临,未来的前景,半

27、导体照明发展现状,发展速度超过人们的预测,技术进步迅速 市场的发展速度领先于技术的发展 政府与民间共有热情,中国在此领域的发展,有多家公司参与 在半导体领域中与国际水平接近，基本上与国际水平同步发展，有部分领先,已经成熟低功率LED(蓝光和白光): 1.核心的技术和专利几乎垄断在日本和美国的公司手中,中国台湾的公司是通过授权使用. 2.国内的行业来讲,无论是国内企业还是中国台湾的内地投资企业,基本是来料或进料加工. 3.国内在外延片,芯片和封装基板(支架)原创稀少.,LED国内外技术现状基础及发展趋势,JP Dispute USA Dispute GE Dispute TW Dispute L

28、icense CL,LumiLeds,Rohm,Toyota Gosei,Nichia,中村修二,Sumitomo,Cree,Osram,Citizen,Everlight,合作開發GaN發光元件,藍光LED專利 JP3012412侵權訴訟,藍光LED專利 JP2623466 JP2666228 JP2737053 侵權訴訟,藍光LED專利 JP2560963 JP3027676 JP2735057 JP2566207 JP2748818 JP2778405 JP2803742 JP2751963 JP2770720 侵權訴訟,藍光LED專利 US6084899 US6115399 侵權訴訟,

29、藍光LED專利 US6051849 侵權訴訟,藍光LED專利 JP2918139 JP2778405 侵權訴訟,白光LED專利 JP2927279 侵權訴訟,白光LED專利 US6066861 US6245259 侵權訴訟,代理Cree產品 在日本銷售,中村修二 是Cree公司 兼任研究員,洩漏Nichia 公司機密,要求Nichia JP2628404專利所有權 及20億日幣的分紅,Nichia 敗訴 需支付中村 200億日幣,授權白光 LED專利,授權白光 LED專利,授權白光 LED專利,相互授權,和解 相互授權,和解 相互授權,Epistar,和解,撤銷告訴,不起訴,Dominate,

30、藍光LED專利 TW0400658 TW0451536 侵權訴訟,藍光LED 160722號專利 假處分,和解,和解,Opto Tech,授權藍光 LED,LITEON,成熟蓝光白光LED的专利,授权和争议,授權白光 LED專利,LED国内外技术现状基础及发展趋势,大功率LED基板新格局: Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底 美国Lamina Ceramics公司研制的低温共烧陶瓷金属基板 德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷基板 日本Kyocera的AlN封装基板 其它的硅封装基板,LED国内外技术现状基础及发展趋势,AlN和Si材料特性比较分析表,LED国内外技术现状基

31、础及发展趋势,大功率LED封装基板(或支架)目前还是刚刚起步阶段还没有有形成标准,各家的技术专利也都没有成熟形成垄断. 如上封装基板在国内外,皆属于国际先例，作为大功率LED的封装材料和半导体集成是非常的理想的，具有十分好的市场前景。,部分领域已经应用,潜水灯 防爆灯 高档汽车的照明灯（奔驰、宝马、奥迪A8等汽车） 飞机和高档汽车的阅读灯,已经走近我们的生活,LED路灯照明,已经走近我们的生活（手电筒）,公司主走廊采用LED照明,来源:中国半导体照明网译,3个LED组成的3.6W的功率即相当于50 W卤素灯水平。 寿命为5万小时,白光LED射灯,可与目前普通灯具互换的LED白光灯,存在的问题,价格过高 发光效率还不够高 性价比低 还不到民众普及的时刻 半导体照明的寿命实际上还涉及多方面的问题，与10万小时的理论寿命有差距,目录,固态照明概况,电光源的历史,半导体发光二极管,第三代半导体材料,半导体照明的来临,未来的前景,半导体照明发展现状,未来的指标,发光效率达到 200 ml/w 显色指数接近 100% 新的半导体材料和技术会进一步发展 价格下降，为百姓所接受,进入主流光源是必然趋势,没有人怀疑 国内外的传统照明企业都非常积极 真正进入绿色照明 产业链条已经形成，互动作用明显,存在技术难题,外延片 封装技术 热学管理 光学设计 调光技术 颜色控制 电源设计 可靠性分析,