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本文由韩召荣贡献doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。蓝白光LED技术与产业姓名:张聪建(91226008)光电所B班一年级学号:91226008指导教授:游汉辉教授撰写日期:92年3月25日前言:我们从全球LED大厂在蓝白光LED发展趋势可以看出,目前各厂商开始往紫外光加上萤光粉发出白光来发展,而紫外光LED以美国Cree所做的紫外光LED技术层级最高,其发光效率已达21lm/W(目前市售蓝光LED约为4lm/W).但以紫外光专利数来看,目前研究紫外光LED专利数目最多的是日本,因此我们认为日本的ToyodaGosel和Nichia在白光亮度后来居上的机会最大.在单价方面,日本希望持续降低蓝光LED晶粒的售价到5元日币以下,换算台币约1~2元左右,可预见未来蓝光LED仍有50%的下降空间.就国内厂商的技术方面,国内上游厂商为了生产蓝光LED,所用的基板主要都以蓝宝石为主.若以MOCVD机台数来看,国联的机台数目较多,而未来MOCVD机台技术会往增加片数(从6片增加到20片)或增加尺吋(4吋或8吋)来发展.在下游封装技术方面,主要的技术难度在如何耐高电流,具高散热性及提高发光的亮度,所以发展出「低接触阻抗电极」,「耐热抗UV树脂材料」来耐高电流及提高散热性,并藉「高反射率」,「高效率的萤光体合成法」以及「照明设计」等技术来提高发光亮度.LED技术简介:壹,发光二极体(LED)发光原理发光二极体(LED)是利用半导体中电子与电洞结合时,过剩的能量会以光的形式释放,而不同的材料会发出不同的波长,也就会看到不同颜色的光.由表一可以看到,我们可以藉由混晶比例来调整要发出的波长,但不同材料会受本身禁制带宽度的限制,所以能控制的光波长也有一定的限度.我们由公式及表一得知,当禁制带宽度(El)越大,则发出的波长越短,发光颜色会偏向蓝光及紫光,而GaN的禁制带宽度为3.39eV,因此通常用GaN来做蓝光的磊晶材料.表一各材料禁制带宽度比较材料GaAsGaP禁制带宽度(eV)1.352.26发光波长940700565555红绿纯绿发光颜色接近红外线GaAs1-xPx/GaAsGaAs1-xPx/GaPGa1-xAlxAsGaN1.42~2.266606306105901.42~2.263.39660400红红橙黄红蓝,紫贰,白光LED发光原理发出白光的方式主要可分成两种(见表二),一种是单晶型,这种方式与日光灯的发光方式一样,就是把蓝光加上黄色萤光粉或紫外光LED加上RGB三波长萤光粉来产生白光.另一种是多晶型,即利用互补的2色或把3原色做混光而形成白光.若采用多晶型的方式,基於不同LED的驱动电压,发光输出,温度特性及寿命各不相同,因此造成用此方法会有很多要控制的因素,也使得所产生的成本亦较高;若采用单晶型,则只要用一种元素即可,而且在驱动回路上的设计会较为容易,因此,可以发现目前多数厂商较倾向往单晶型的方式来做研发的方向.表二白光发光原理方式激发源蓝色LED单晶型发光元素与萤光材料InGaN/YAG黄色萤光粉发光原理以蓝色光激发萤光粉(黄色发光)以紫外光激发RGBInGaN/RGB三波长萤光紫外光LED萤光粉(原理同萤光粉灯)蓝色LEDInGaN黄绿色LEDGaP蓝绿色LED将互补的2色装成一组多晶型AlInGaP橙色LED蓝色LED绿色LED红色LEDInGaNAlInGaPAlGaAs将3原色装成一组参,LED衡量单位简介LED技术领域可看到许多的衡量单位常常让人搞不清要如何衡量因此我们先就,这些衡量单位作一个简单的介绍(见表三).在上游的晶片(Wafer)磊晶的部份,通常会衡量该晶片磊晶完后的波长及均匀度等;到晶粒(Chip)部份,则要衡量该晶粒能够发的光的亮度如何,因此我们通常用mW或mcd(毫烛光)来衡量;到下游封装完后要衡量封装完后该LED的亮度则常用cd(烛光)或mcd(毫烛光)来衡量,.而白光照明衡量单位较为特殊,我们常用lm/W(流明/瓦)来衡量.表三LED亮度衡量单位产业链上游中游下游应用项目晶片(Wafer)晶粒(Chip)Lamp白光照明衡量单位衡量波长,均匀度mW或mcd(毫烛光)cd(烛光)或mcd(毫烛光)lm/W(流明/瓦)注:钨丝灯泡约6lm/W,日光灯约在45lm/W壹,LED主要大厂技术发展趋势一,往蓝光,紫外光及白光LED来发展由表四我们可以发现,各厂商主要都先从蓝光LED开始研发及量产,有了蓝光的技术之后再开始研发白光LED然而目前最常用蓝光加上黄色萤光粉来产生白,光,但是用蓝光LED来发白光的发光效率仍然不足,因此另外一个方向就是往紫外光LED来发展,利用紫外光加RGB三波长萤光粉来达到白光的效果,其发光效率比蓝光好上许多,研究显示若发光波长能到254nm,则可以不加萤光粉也能自发白光.目前紫外光LED以美国Cree所做的紫外光LED技术层级最高,已达21lm/W(目前市售蓝光LED约为4lm/W),这样的研发进度超乎原先预期,因此预估白光LED要取代照明很可能在十年内发生.未来在照明市场可取得一席之地的国家,我们以研究紫外光LED专利数来观察,认为日本的机会最大.就专利数来看,日本的专利数目最多,发展的专利件数达105件占全球紫外光LED专利数的86%若以各别厂商来看可以发现以Toyoda,,,Gosel和Nichia发展的最积极,紫外光LED的专利数分别为15件及11件.若我们仔细分别这些紫外光LED专利,可以发现所著重的技术并不相同,以元件结构的专利比重最大,占56%,而制程技术占19%,元件组装占16%,磊晶技术只占9%.所以就专利数来看,紫外光LED的厂商以ToyodaGosel和Nichia最有后来居上的可能.二,近期发展蓝光及紫光雷射二极体(LD)雷射二极体可应用的范围很广,包括光通讯,光储存,医学,影像记录及感测器…等市场,目前应用领域最主要是光通讯及光储存.雷射二极体最常见的是红光LD,而现在最新发展的是蓝光及紫光LD,蓝光及紫光LD对储存媒体的影响很大,可使CD-R及DVD-R有更大的储存能力,可使DVD储存能力高达20GB.因此ELSEVIER该研究单位认为从2002年到2005年每年会有22.5%的复合成长率,其成长空间很大.就技术能力来看,紫光LD技术能力最好的是Nichia,目前已可生产30mW的紫光LD.另外ToyodaGosel有生产蓝紫光LD发光功率为3mW,而CREE也有蓝光LD发光功率约3mW与ToyodaGosel相差不多.表四世界LED大厂技术动向厂商技术动向1989MOCVD1993蓝光LED1995绿光LED1996白光LEDNichia1997紫外光LED.2001年:白光每月产能1998黄光(GaN)LED9900万颗1999紫光LD(5mW)2000紫光LD(30mW)1986蓝光LED研发.主力产品:专注在InGaN1995蓝光LED量产的生产(2cd).白光:与Toshiba合作白1999FlipChipToyodaGosel2000紫光LED2001白光LED光LED,晶粒由ToyodaGosel制造,封装则由Toshiba负责..市场:以日本市场为主..主力产品:拥有InGaN的蓝光及绿光LED专利.现况及发展.市场:主要销往汽车用车2001蓝紫光LD(3mW)灯,仪表板被光源及彩色萤幕行动电话的背光源2001蓝光LED(200mW).主力产品:InGaAlP四元高亮度LEDLumiLeds2001白光LED(17lumens)2002白光LED(5W)1989蓝光LED1998绿光LEDCREE2000成立CREE.2001年:白光每月产能300万颗.主力产品:蓝绿光高亮度LED材料及元件白光LED,2000蓝光LD(3mW).率先发展SiC基板2001紫外光LED(21lm/W).欧洲最大高亮度LED厂商.以碳化矽(SiC)基板供应蓝光LED产品.市场:以欧洲为主,应用以汽车方面最重要,目前欧系车厂如:Mercedes,BMW,Audi,Volkswagen为其客户.2001年:白光每月产能200万颗贰,各国未来LED发展方向我们观察各国在LED的投入及发展方向可以发现(见表五),主要著重在材料以及制程技术的研发,并且以美国及日本较为积极,因其订出的研究项目及技术指标较为明确,投入的资金也相对较大,参与厂商也是各世界重量级的厂商,所以我们认为在未来5~10年仍然是以美日在LED市场的领先者.以各国规划的进度来看,在白光发光效率方面,因为白光LED的发光效率要超过100lm/W以上才能进入广大的照明市场,对目前的日光灯(约60~100lm/W)才有取代的效果,所以各国均以达到100lm/W以上为目标.就单价来看,日本希望持1999ATONChip(5mW)OSRAMOptoSemiconductors2000(8mW)2001PLED续降低蓝光LED晶粒的售价到5元日币以下,换算台币约1~2元左右,可预见未来蓝光LED仍有50%的下降空间.表五各国未来十年LED发展计划国家别研究项目.技术研发.示范推广透明基板美国2003~2011年5000万美元9年金属接触层白光LED技术指标发2012年:光建立新照明业效150lm/W,率1,000lumens结构寿多晶粒封装命10,000hrs有机发光材料VCSELMOCVD元件模板单15美元/klm价奈米量子点提高外部量子效率到其CRI(点射性)80200lm/W它低成本制造技术发光2010年120lm/W效率参与厂商:光粹取出16家最佳光亮度高CRI日本材料特性发光机构1998~2003年12亿日币5年结晶基板结晶成长制程萤光体及照明灯具寿20,000小时命单5日币/chip价2003~2005年商品化量产其2007~2016年普及它化推动外部量子效率40%,CRI=83参与厂商:LED灯具标准制订13家韩国1999~2004年40亿韩币5年400~590nm,4cd超高亮度蓝光LED欧洲1997~2000年85.7万欧元3.5年AlInGaNAlloy制程及多层MOCVD材料高亮度户外照明光源降低III族氮化合物磊晶沉积之前制程和III-V族材料比率至100:1白光LED(蓝光+萤光体)白光LED(RGB三发光层,无萤光体)2010年100lm/W香港2001~2004年550万港币3年国内技术状况:壹,上中游关键技术发展上中游生产制程如下:LED上游是先从单晶片作为成长用的基板,再利用各种的磊晶成长法(如LPE,MOCVD,MBE等)做成磊晶片,把这些磊晶片送给中游制作电极,进行平台蚀刻后切割磊晶片,最后再将磊晶片崩裂成单颗晶粒.在LED产业价值键中,以上游的技术层次最高,且常面临专利权的问题,另外,有些原料均需由国外进口,如基板及有机金属等,以基板为例,要采用哪一种基板也会影响后续要避开哪些专利,要使用哪种技术以及影响产品的亮度及波长.LEDFlipChipGaNMOCVD磊封装晶及制程以下就一些上中游的关键技术做详细的阐述:一,基板现今蓝光LED常用的基板主要有两种(见表六),一是Nichia所主张蓝宝石,二是Cree所推行的SiC,就成本方面,使用蓝宝石的基板成本较使用SiC高,且硬度较高不易切割,但在稳定性与晶格配合上则是蓝宝石优於碳化矽,其各自有其优缺点.虽然SiC基板价格较蓝宝石基板贵,但是SiC能以较低的成本形成共振面,所整体成本比蓝宝石低,且其散热性较佳,磊晶过程速度也较快,但最大的缺点是先天上与GaN的晶格不符.国内上游厂商为了生产蓝光LED,所用的基板主要都以蓝宝石为主,主要原因是除了SiC基板与GaN的晶格不符之外,另外是因为国内蓝光LED主要是用在手机上,所以就操作电压的考量下,进而选择蓝宝石基板.表六基板优缺点比较表优点稳定性佳蓝宝石晶格配合佳磊晶过程速度较快碳化矽(SiC)放热性较佳具成本优势二,磊晶方法LED的主要磊晶方法有LPE(液相磊晶法)VPE(气相磊晶法)及MOCVD(有机金