無機(jī)材料在LED中應(yīng)用

1、無機(jī)材料在無機(jī)材料在LEDLED的應(yīng)用、原理、的應(yīng)用、原理、最新成果、研究熱點(diǎn)最新成果、研究熱點(diǎn)鴻利光電鴻利光電中國白光LED器件領(lǐng)軍者。國家高新技術(shù)企業(yè)，國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟常務(wù)理事單位，中國半導(dǎo)體照明技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作組成員單位。鴻利光電注冊資本24547萬元，擁有10萬多平方米花園式工業(yè)園，4萬多平方米高標(biāo)準(zhǔn)無塵生產(chǎn)車間，采用最先進(jìn)的LED自動化生產(chǎn)設(shè)備，主要生產(chǎn)中、高檔COB、HIGH POWER LEDs、SMD LEDs等優(yōu)質(zhì)器件，應(yīng)用范圍包括通用照明、背光源、汽車信號/照明、特殊照明、顯示屏等領(lǐng)域。 鴻利光電LED器件在顯指、光效、穩(wěn)定性等方面的指標(biāo)均處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，是國

2、內(nèi)率先通過美國環(huán)?？偸?EPA)認(rèn)可的第三方IES LM-80測試的LED封裝企業(yè)。“光電無界，智領(lǐng)未來！”公司擁有專業(yè)的管理、生產(chǎn)、技術(shù)研發(fā)、營銷團(tuán)隊(duì)以及良好的軟件和硬件設(shè)施。上海宜美電子科技有限公司三安太陽能警示燈鴻利光電公司 舞臺燈系列專用LED光源，擁有國內(nèi)首創(chuàng)專利產(chǎn)品COB RGB，應(yīng)用領(lǐng)域：LED長條燈、搖頭燈、Par燈、投光燈、聚光燈等。目錄目錄 一、一、LEDLED的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀二、二、LED的原理、分類和應(yīng)用的原理、分類和應(yīng)用三、無機(jī)材料在三、無機(jī)材料在LEDLED中的應(yīng)用中的應(yīng)用 四、四、LEDLED最新研究成果、研究熱點(diǎn)最新研究成果、研究熱點(diǎn)一、LED的

3、發(fā)展歷程和現(xiàn)狀基本概念基本概念特點(diǎn)特點(diǎn)發(fā)展歷程發(fā)展歷程LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管），是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料制成，一層帶過量的電子，另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”，當(dāng)有電流通過時(shí)，電子和空穴相互結(jié)合并釋放出能量，從而輻射出光芒。LED作為21 世紀(jì)的新型固態(tài)光源，具有體積小、節(jié)能環(huán)保、響應(yīng)速度快、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是“第四代綠色照明光源”。LED燈welcome to use these PowerPoint templates, New Content design, 10 years experience1965年世界上的第一只商用化

4、LED誕生，用鍺制成，單價(jià)45美元，為紅光LED，發(fā)光效率0.1 lm/w。1968年利用半導(dǎo)體攙雜工藝使GaAsP材料的LED的發(fā)光效率達(dá)到1 lm/w, 并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃光。1971年出現(xiàn)GaP材料的綠光LED，發(fā)光效率也達(dá)到1lm/w。80年代，重大技術(shù)突破，開發(fā)出AlGaAs材料的LED，發(fā)光效率達(dá)到10 lm/w。1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，發(fā)光效率達(dá)到40-50 lm/w。1990年基于SiC材料的藍(lán)光LED出現(xiàn)，發(fā)光效率為0.04 lm/w。90年代中期出現(xiàn)以藍(lán)寶石為襯底的GaN藍(lán)光LED，到目前該技術(shù)仍為主流技術(shù)。發(fā)展歷史welcome

5、to use these PowerPoint templates, New Content design, 10 years experience 1、 電壓： LED燈珠使用低壓電源，供電電壓在 2-4V之間，更安全的電源，特別適用于公共場所；2、電流：工作電流在0-15mA，亮度隨電流的增大而變亮。3、效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少 80%。4.、適用性：很小，每個(gè)單元 LED 小片是 3-5mm 的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。5、穩(wěn)定性： 10 萬小時(shí)，光衰為初始的 50%。6、響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級， LED 燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級。7

6、、 對環(huán)境污染：無有害金屬汞。8、顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠藍(lán)橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)為紅色的 LED ，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色。9、 價(jià)格： LED燈珠的成本價(jià)格相應(yīng)對于傳統(tǒng)新光源來說要貴些，較之 于白熾燈，幾十只白光 LED 的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號燈需由上 300500 只二極管構(gòu)成。特點(diǎn)二、二、LED的原理、分類和應(yīng)用它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。發(fā)光二極管的核心

7、部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。1、LED的工作原理圖的工作原理圖2、LED分類分類按發(fā)光管出光面特征分：圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。

8、圓形燈按直徑分為2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等；從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來分為三類：(1) 高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5-20或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。(2) 標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其半值角為20-45 。(3) 散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45-90或更大，散射劑的量較大。按發(fā)光管發(fā)光顏色分：紅色、橙色、綠色（又細(xì)分為黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠）、藍(lán)光等。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或者不摻散射劑、有色還是無色分為：有色透明、無色透明、有色散射和無色散射。2、LED分類分類2

9、、LED分類分類按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分：全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分普通亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度小于10mcd）；超高亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度大于100mcd）；把發(fā)光強(qiáng)度在10-100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下。3、LED的應(yīng)用的應(yīng)用1）室內(nèi)外照明LED是使用半導(dǎo)體材料制成的一種無燈絲的燈，是一種新型的冷光源，被譽(yù)為 “代表照明技術(shù)的未來”。3、LED的應(yīng)用的應(yīng)用2）交通系統(tǒng)指示燈3、LED的應(yīng)用的應(yīng)用3）煤礦的礦燈LED光源和鋰離子蓄電池設(shè)計(jì)制造的一種綠色環(huán)

10、保新型礦燈，采用人性化設(shè)計(jì)，具有用電省、體積小、重量輕、壽命長、無污染、安全和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。3、LED的應(yīng)用的應(yīng)用4）顯示屏的應(yīng)用應(yīng)用于商業(yè)廣告、體育場館、鬧市廣場、營業(yè)大廳、證劵交易等。LED顯示屏的特點(diǎn)：（1）節(jié)能、耗電少，僅為一般照明的10%，平均功耗小于40W/m2，每天只需1度電；（2）工作電壓只有5V-12V，不會對周邊產(chǎn)生電磁干擾；（3）環(huán)保、無污染、沒有噪音污染；（4）發(fā)光均勻，顯示效果好；（5）工作性能穩(wěn)定、安全可靠。3、LED的應(yīng)用的應(yīng)用5）汽車領(lǐng)域的應(yīng)用如儀表板、空調(diào)、收音機(jī)和電子開關(guān)等汽車內(nèi)部照明設(shè)備；同時(shí)LED的開關(guān)時(shí)間短，響應(yīng)時(shí)間是現(xiàn)用光源響應(yīng)時(shí)間的1/100，故

11、而用于汽車的剎車燈或狀態(tài)燈，可以縮短車后車輛的剎車時(shí)間，預(yù)防追尾，提高安全性。3、LED的應(yīng)用的應(yīng)用6）移動電話背光源手機(jī)面板、按鍵、閃光燈三、無機(jī)材料在LED中的應(yīng)用1、MgAl2O4透明熒光陶瓷用于白光LED2、YAG-Ge3+玻璃陶瓷用于白光LED3、LED中新型MgAl2O/Ce：YAG透明陶瓷4、硼鋁酸鹽玻璃陶瓷用于白光LED傳統(tǒng)白光LED 實(shí)現(xiàn)的主要方法是采用YAG:Ce 熒光粉與環(huán)氧樹脂或硅膠以一定的比例混合涂覆在InGaN 藍(lán)光LED 芯片上。由于芯片功耗及熒光粉光轉(zhuǎn)換過程中的能量損失會轉(zhuǎn)化為熱能，芯片和熒光粉涂層溫度會隨之升高，傳統(tǒng)封裝材料在高溫和短波光長期照射下透過率下降，

12、產(chǎn)生嚴(yán)重老化現(xiàn)象。尤其在大電流驅(qū)動下，芯片溫度升高會使熒光粉性能劣化以致于熒光轉(zhuǎn)換效率降低，以及白光LED 色坐標(biāo)發(fā)生大幅度偏移，影響到光品質(zhì)的穩(wěn)定性，器件壽命也因此縮短。 爍光特晶科技有限公司研制的新型鋁酸鎂熒光透明陶瓷材料。 采用自制的鋁酸鎂粉體分別混合自制和市售的熒光粉制備了熒光透明陶瓷, 對其加工并替代傳統(tǒng)白光LED 中的熒光粉層和環(huán)氧樹脂封裝外殼進(jìn)行了封裝測試。 由于熒光轉(zhuǎn)換物質(zhì)在透明陶瓷中均勻分布, 解決了傳統(tǒng)工藝中熒光粉易沉降的問題, 有利于出光的均勻性; 陶瓷材料比樹脂等有機(jī)材料熱導(dǎo)率高, 加快了散熱。 同時(shí), 熒光陶瓷機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐磨損, 可直接作為封裝外殼, 簡化了

13、封裝工藝, 可拓展LED 的應(yīng)用范圍。MgAl2O4 透明熒光陶瓷用于白光LED MgAl2O4 透明熒光陶瓷的制備 ( 1) 采用金屬醇鹽法制備MgAl2O4 陶瓷粉體, 合成出純相、分散性好、顆粒均勻、燒結(jié)活性高的MgAl2O4 陶瓷粉體。 ( 2) 將熒光粉與MgAl2O4 透明陶瓷粉體按比例混合球磨, 使其混合均勻并在一定溫度下烘干。 ( 3) 將上述得到的MgAl2O4 熒光陶瓷粉體作為原料, 采用不同的燒結(jié)工藝( 真空燒結(jié)、真空熱壓燒結(jié)結(jié)合熱等靜壓等) 制備高致密、高透明的MgAl2O4 熒光陶瓷。透明熒光陶瓷的加工和封裝測試將上述MgAl2O4熒光透明陶瓷進(jìn)行加工, 按封裝要求加

14、工出外形, 進(jìn)行研磨和拋光, 并參考現(xiàn)有白光LED 的封裝, 將加工好的MgAl2O4 熒光透明陶瓷和藍(lán)光半導(dǎo)體芯片組裝形成白光LED 器件, 初步實(shí)現(xiàn)了其在藍(lán)光芯片照射下的白光輸出。圖2 M gAl2O4 熒光透明陶瓷在藍(lán)光LED 芯片照射下的白光輸出照片圖1 MgAl2O4熒光透明陶瓷( 1) 作為熒光材料熒光粉在熒光透明陶瓷中起到熒光轉(zhuǎn)換的作用, 將芯片發(fā)出的部分藍(lán)光轉(zhuǎn)換成黃光, 剩余的藍(lán)光和轉(zhuǎn)換后的黃光混合成為所需的白光, 并通過透明陶瓷材料實(shí)現(xiàn)照明。MgAl2 O4 透明陶瓷熱導(dǎo)率較高( 1710 W/ m .K) , 約為環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅的10 倍, 可以使工作中產(chǎn)生的熱量更為及時(shí)

15、地傳遞出去, 有利于降低熒光物質(zhì)的工作溫度, 延長熒光物質(zhì)的壽命, 有助于降低芯片結(jié)溫, 從而可以提高工作電流, 進(jìn)一步提高LED 發(fā)光強(qiáng)度。利用MgAl2O4 熒光透明陶瓷的受激發(fā)光、高的光學(xué)透過以及優(yōu)異的熱學(xué)和力學(xué)等性能, 將其作為白光LED 的熒光轉(zhuǎn)換材料和封裝外殼。由于透明熒光陶瓷有比環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅更高的熱導(dǎo)率和折射率, 可同時(shí)解決散熱和高效率問題。由于陶瓷材料有比有機(jī)材料更高的強(qiáng)度、硬度、更耐腐蝕, 能夠大幅度提高LED 制品的壽命。由于陶瓷材料可兼作熒光轉(zhuǎn)換材料和封裝材料, 省去了涂膠工藝并避免了涂膠均勻性控制問題。用化學(xué)共沉淀法制備YAG: Ce3+ 前驅(qū)體, 以B2O3-Al

16、2O3- SiO2-Na2O 為玻璃基質(zhì), 在1 300 煅燒制作出YAG:Ce3+ 玻璃陶瓷, 封裝成玻璃陶瓷發(fā)光層遠(yuǎn)離芯片的白光LED。1、加入合適比例的H3BO3、Na2CO3、Al2O3 和SiO2 玻璃配合料, 研磨材料至混合均勻, 裝入容量為50 ml 的剛玉坩堝, 在氣氛保護(hù)爐中, 升溫( 5/ min) 至1300, 保溫3h, 澆鑄成玻璃陶瓷基片, 然后在550 馬弗爐中退火3h, 隨爐冷卻至室溫，最后打磨基片。2、采用5050 表面安裝形式( SMD) LED 支架, 鍵合峰值波長465 nm 左右的藍(lán)光芯片, 金線綁定后灌封9022AB 硅膠, 覆蓋YAG:Ce3+ 玻璃

17、陶瓷薄片, 固化制得YAG: Ce3+ 玻璃陶瓷白光LED。YAG-Ge3+玻璃陶瓷用于白光LED采用金屬醇鹽法制備MgAl2O4前驅(qū)體，通過高溫煅燒24 h 得到純相MgAl2O4粉體，再將其與YAG Ce 熒光粉均勻混合，利用熱壓燒結(jié)并結(jié)合熱等靜壓處理得到MgAl2O4 /Ce YAG 透明陶瓷。LED中新型MgAl2O/Ce：YAG透明陶瓷采用金屬鋁、鎂按照一定比例和異丙醇進(jìn)行反應(yīng)獲得金屬醇鹽產(chǎn)物，再經(jīng)過減壓蒸餾提純分餾，并在烘箱烘干和高溫煅燒24 h，得到顆粒大小為納米級的MgAl2O4粉體。然后將MgAl2O4粉體與YAG:Ce 熒光粉以一定比例進(jìn)行混合，球磨24 h后放入干燥箱中烘

18、烤，再進(jìn)行過篩處理。將均勻混合后的粉體先放入鋼模中進(jìn)行冷壓成型，經(jīng)冷等靜壓成型得到素坯。再將樣品置于真空熱壓爐進(jìn)行熱壓燒結(jié)，真空度10-2Pa，溫度15001700。接著對樣品在氫氣條件下進(jìn)行熱等靜壓處理，溫度16001800 ，壓力150200 MPa。最后將試樣表面進(jìn)行研磨和拋光處理，即可獲得高致密、高透明的MgAl2O4 /Ce:YAG 陶瓷。采用真空熱壓( HP) 燒結(jié)結(jié)合熱等靜壓處理的方式得到MgAl2O4 /Ce YAG 透明陶瓷。樣品在近紫外340nm 和藍(lán)光區(qū)475nm 處有兩個(gè)寬激發(fā)峰，且發(fā)射光譜為500600nm 的寬譜，最強(qiáng)發(fā)射峰位于533nm，屬于Ce3+ 的5d4f

19、特征躍遷發(fā)射。MgAl2O4 /Ce:YAG 透明陶瓷與藍(lán)光LED 芯片封裝成白光LED，在35 mA 驅(qū)動下光效達(dá)到133.47 lmW-1，其色溫穩(wěn)定性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)YAG:Ce 熒光粉封裝的白光LED，在提升LED 器件光品質(zhì)穩(wěn)定性的同時(shí)，還可以明顯地提高白光LED 器件的壽命硼鋁酸鹽玻璃陶瓷用于白光LED用共沉淀法制得的Y3Al5O12(YAG):Ce3+前驅(qū)體，混和H3BO3-SiO2-Al2O3-Na2CO3玻璃初始材料，經(jīng)過1 300 3 h 煅燒，得到用于白光LED 封裝的硼鋁硅酸鹽YAG 玻璃陶瓷。第一代的白熾燈、鹵鎢燈等熱輻射光源發(fā)展到以日光燈、熒光燈為代表的第二代，乃至以

20、汞燈、鈉燈、金屬鹵化物燈為代表的第三代氣體放電光源，都離不開鎢絲和汞蒸汽。它們不僅能耗大、壽命短，而且含有金屬汞，對環(huán)境有一定的污染。四、LED燈最新研究成果、研究熱點(diǎn)LED基本結(jié)構(gòu)主要是利用pn結(jié)實(shí)現(xiàn)載流子注入，對于ZnO同質(zhì)pn結(jié)，因?yàn)榫Ц衿ヅ?，界面缺陷較少，有利于載流子注入，但高質(zhì)量的p型ZnO薄膜制備仍存在較大困難，另一方面，建立異質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⑤d流子限制在勢阱層內(nèi)，提高有源區(qū)載流子濃度，進(jìn)而提高電子空穴復(fù)合幾率。1、各種結(jié)構(gòu)的ZnO基同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)LED及一維ZnO納米線 棒陣列異質(zhì)結(jié)LED的最新研究成果。目前研究得到的ZnO發(fā)光帶及相應(yīng)的發(fā)光機(jī)制主要有：(1)中心波長位于380 nm附近的紫外區(qū)：紫外輻射來自近帶邊躍遷，通常由多個(gè)光譜成分組成，包括自由激子(X)復(fù)合、中性施主束縛激子(DoX)的復(fù)合、中性受主束縛激子(A X)及其聲子伴線、雙激子復(fù)合(M)、施主受主對(DAP)復(fù)合及其聲子伴線 。(2)420 nm左右的藍(lán)紫光發(fā)光帶,該發(fā)光峰與本征缺陷引起的施主或受主能級相關(guān)，如導(dǎo)帶與鋅空位