級-大三上光子學前沿講座

藍光LED過去、現在和未來王鋼教授光子學前沿講座1907年，SiCLED的誕生LED起源于1907年，H.J.Round發(fā)現SiC的微晶結構具有發(fā)光能力，這是第一顆發(fā)光的LED（當時是肖特基二極管，而不是目前的PN結二極管）。1962年，GaAs和AlGaAs紅外和紅光LED誕生紅光LED發(fā)明人---NickHolonyakJr.1962年，Holonyak和Bevacqua在應用物理期刊發(fā)表了使用GaAsP為發(fā)光材料的紅光LED，這是第一顆可見光LED，使用氣相磊晶法(VPE)在GaAs基板上長出GaAsP二極管PN結面，其優(yōu)點是方法簡單、低成本，缺點是由于GaAsP薄膜與GaAs晶格不匹配導致發(fā)光效率低下(約為0.1lm/w).1972年，M.GeorgeCraford使用N摻雜，成功做出第一顆黃光波段的GaAsP/GaP材料系LED，不僅提高了光效，而且將發(fā)光波長進行了延伸。1972年，黃光LED誕生M.GeorgeCraford半個世紀，紅光黃光LED都出現了，唯獨缺少藍光LED1972年，發(fā)現GaN可以發(fā)出微弱藍光，但到實際應用仍有較大距離，光色體系中唯獨缺藍光波長與顏色波長與發(fā)光顏色取決于材料的帶隙寬度如何實現藍光？關鍵在制備手段？上世紀80年代，潛在藍光LED制備材料為氧化鋅（ZnO）和硒化鋅（ZnSe），很少有人關心氮化鎵（GaN），藍光LED進展緩慢。日本中村修二發(fā)明了高亮度藍色發(fā)光二極管，解決了實用化問題藍光LED構造變遷

氮化物LED發(fā)光管的器件結構及發(fā)光機理electrons電子空穴復合發(fā)光P歐姆接觸N歐姆接觸藍寶石或碳化硅2014年諾貝爾獎授予了藍光LED2014年諾貝爾物理學獎授予了藍光LED發(fā)明人赤崎勇、天野浩-藍光LED的生長基礎問題中村修二-通過改造設備，攻克p型摻雜，解決了藍光LED實用化問題。ShujiNakamura（中村修二）1994年在日亞化學(Nicchia)發(fā)明了GaN藍光LED白光LED點燃了真正“綠色照明”的光輝，被認為是21世紀最有價值的新光源；白光LED將取代白熾燈和日光燈成為照明市場的主導；白光LED使照明技術面臨一場新的革命，從而一定程度上改善人類的生產和生活方式。Google之中村修二的故事藍光LED，使照明成為可能固態(tài):光輻射來源于固體----半導體材料

SSL（SolidStateLighting）:從第一個發(fā)光二極管(light-emittingdiodes)的發(fā)明開始（1907年SiC肖特基二極管）第四代照明技術：固態(tài)照明白光LED（WhiteLEDs）白光LED工作機制-白光的形成

第一種方法:1993,當第一個高亮度藍光LED發(fā)明后，根據顏色疊加原理，把紅、綠、藍三色LED經過合理的疊加，可獲得白光LED，也就是RGB白光LED的原理。但這種方法目前并不是主流的白光技術。第二種方法:1996年，日亞公司將YAG(Ce3+:YAG)黃色熒光粉覆蓋在藍光芯片之上，熒光粉被藍光激發(fā)，發(fā)出黃光，藍光與黃光的合適疊加產生白光。第三種方法：使用紫外LED激光覆蓋在其上的RGB熒光粉，產生白光，與傳統熒光燈的機理相同。但局限于紫外LED的波長與功率。LuminescencePhosphorescence白光LED3種不同色溫的白光:

4000-4500K,白熾光或暖白

5000-6500K,純白

7000-8000K,冷白GaNorInGaNLEDCe:YAG各種照明光源演化流明效率3種傳統技術:火白熾燈熒光燈&高壓氣體放電

油燈LED的應用領域而景觀照明LED顯示屏汽車組合燈小屏幕LCD背光大屏幕LCD背光交通信號燈戶外道路照明室內照明LED器件制作過程襯底材料生長或購買襯底LED結構MOCVD生長芯片加工芯片切割器件封裝Sapphire藍寶石2-inch17外延工藝簡介藍寶石襯底棒藍寶石襯底外延片MOCVD設備MOCVD是金屬有機化合物化學氣相沉淀芯片工藝簡介光刻電路合金爐芯片測試芯片圖案臺灣晶元芯片美國CREE芯片臺灣光磊芯片德國歐司朗芯片韓國Optoway芯片香港晶科芯片封裝工藝簡介LED封裝工藝自動固晶機自動焊線機LED應用技術簡介25~35%光能量65~75%熱能量散熱LED特點-發(fā)展速度快汽車前照明大燈價格性能通用替換光源的方向，必須采用新工藝、新材料等手段降低成本，擴大市場使用率球泡由于LED的光學透鏡可以有效控制每一根光線，達到傳統光源不可能實現的配光效果LED發(fā)展也遵循摩爾定律，LED的光通量以每10年20倍的速度上升，同時每流明單價以每10年10倍的速度迅速下降。在過去的40年間，基本按此發(fā)展。近年來白光的快速發(fā)展甚至超出了摩爾定律速度。即光效每年增長40%，價格每年降低20%。LED特點-光效高白熾燈光效9Lm/W節(jié)能燈光效60Lm/W日光燈光效90Lm/W鹵素燈光效20Lm/W鈉燈光效120Lm/WLED光效130Lm/W目前LED的光效已經超越傳統電光源鈉燈的光效，LED的節(jié)能效果非常明顯。LED特點-單方向性傳統光源360度發(fā)光，配光需反射罩反射經反射罩反射被損耗形成截光光源時，大部分LED發(fā)射的光線不需要經過反射壁反射直接出射；高壓鈉燈燈具效率一般在70%左右,而LED道路照明燈具效率可達到80%以上截光/半截光型型燈具比較LED特點-長壽命白熾燈壽命效1000小時節(jié)能燈壽命6000小時日光燈壽命8000小時鹵素燈壽命2000小時鈉燈壽命25000小時LED壽命10萬小時目前LED的壽命已經達到10萬小時，超越了所有傳統電光源的壽命，使用一只好的LED燈，可以點亮一生！長壽命，減少了燈具的維護LED特點-環(huán)保無鉛UV不含紫外線和紅外線，不會對被照物損壞不含重金屬含汞金屬含汞金屬含汞金屬所有的傳統電光源發(fā)光中均含有紫外線LED照明燈具環(huán)保效益更佳，光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，而且廢棄物可回收，沒有污染不含汞元素，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。LED：低環(huán)境污染的光源LED不含汞、鉛等任何有毒性污染物質LED光線為單色光，沒有紫外紅外成分，無紫外線、紅外線的污染和損傷光源種類單位照度的相對損傷系數（%）晴天的天空光100多云的天空光31.7日光色的熒光燈6.3白色熒光燈4.6暖白色熒光燈4.5濾紫外線的熒光燈3.0白熾燈5.1LED0用LED照明的展品固態(tài)照明優(yōu)勢減少熱產生減少能耗長壽命

光污染?

照明消耗了全世界19%的能源，25%的全球電量。使用LED所減少的能量可以有效的減少CO2的排放，以致于對全球氣溫的變化帶來有益的影響。

LED的使用：減少CO2排放量21世紀的巨大挑戰(zhàn)能源消耗石油核能，風能和太陽能2.氣候變化全球變溫兩極冰融化新的冰河時代的可能兩者是相連的意識到問題的嚴重性大力度減少碳氫化合物的使用和對森林的破壞京都協議（kyotoprotocol）LED：高色彩表現力Cree的LED涵蓋了六種不同波長范圍的顏色由六種顏色的LED組合出的色彩表現范圍比色域最高的傳統光源——光色域緊致熒光燈（Hi-colorCCFL）高出了14個百分點，甚至比NTSC（美國電視標準委員會）的標準色域還寬！其他特性對比匯總LED低壓低電流工作，與光伏電池工作方式匹配固體器件，耐振動沖擊超強光源響應速度超快（微秒級），光輸出隨電流線性變化，光輸出可以從0到100％任意連續(xù)調節(jié)傳統光源市電工作，須防觸電氣體放電燈和熱輻射發(fā)光燈具均只能輕微碰撞光源響應速度慢，不是需要熱啟動就是需要逐次放電啟動。光輸出隨電流非線性變化，且光通量調節(jié)范圍有限道路照明LED產業(yè)的發(fā)展趨勢

LED走向千家萬戶的普通照明從路燈開始

公共照明商業(yè)樓宇工業(yè)廠房照明城鄉(xiāng)住宅戶內照明技術趨勢——封裝器件的小型化節(jié)約材料便于集成和自動化生產節(jié)省空間，為結構散熱和造型設計留下空間原有光學系統現有光學系統未來光學系統：一次封裝設計小型化是光學系統未來發(fā)展的必然趨勢！LED封裝產品發(fā)展路線圖最新發(fā)展趨勢：CSP封裝結構CSP技術基于倒裝結構的LED芯片技術倒裝芯片未來技術發(fā)展趨勢LED目前三種主要應用領域LED色彩豐富色飽和度高更高的光能利用率色彩變換反應快更高光源光效光源小，超薄機身背光源（替換:冷陰極熒光燈）道路照明（替換

；高壓鈉燈）高光效高光能利用率長壽命綠色照明室內照明（替換：白熾燈，熒光燈）高光效高光能利用率長壽命綠色安全LED背光源模組應用LEDVSCCFL低功耗；環(huán)保；更寬色域范圍響應時間快；低壓驅動；可實現區(qū)域控制光源器件小，可實現超薄高功耗；含汞；相對窄的色域范圍響應時間慢：導致出現拖尾現象；需要加升壓電路；難以實現區(qū)域控制LED背光源在10寸以上液晶顯示的占有率

Source:Q2’10QuarterlyLEDBacklightReportfromDisplaysearchLED背光源未來幾年必將全面取代CCFL背光源！LED背光源技術發(fā)展階段“體耦合”形式6’~10’背光顯示邊發(fā)射LED+空腔+導光板37’以下背光源直下式LED背光源：三色LED+導光管+導光板21’以下背光源側入式LED背光源：40’以上大尺寸平板電視背光源目前主要的背光源形式按光源顏色分白光RGB按光源位置分側入式更薄，結構簡單少用直下式較厚，支持動態(tài)背光較厚，支持動態(tài)背光，高色彩表現力，高對比度主要的大尺寸背光源形式——側入式反射膜LED網點導光板擴散膜1增亮膜（橫向）擴散膜212增亮膜（縱向）導光板與網點：使光線充分混合，并改變原來的傳播方向擴散膜1：霧度高，使向上出射的光擴散；增亮膜：使光線向前方會聚，提高屏前方亮度；擴散膜2：主要起保護增亮膜作用。關鍵點：導光板的網點設計主要的大尺寸背光源形式——直下式反射板擴散板增亮膜（橫向）增亮膜（縱向）擴散膜反射板：把向后傳播的光反射向前；擴散板：使光源發(fā)出的光擴散，支撐上面膜片增亮膜（橫向）：使橫向的光向前方匯聚；擴散膜：主要起保護增亮膜作用；關鍵點：擴散板與光源的距離各大公司主要采用的技術路線白光RGB側入式三星、sony少用直下式夏普、海信、東芝價格高而少采用不采用直下式RGB方案原因：價格高RGB三種LED衰減不一致造成光色一致性偏差大屏幕背光源的發(fā)展趨勢側入式：多側入光雙側入光單側入光超薄設計Vs.區(qū)域控制目前LED電視商用導光板厚度已減至3mm超薄設計無法實現區(qū)域控制Whatisnext?側入式+直下式=側入直下式！價格實惠超薄外觀高色域節(jié)能環(huán)保實現動態(tài)區(qū)域控制未來背光形態(tài)趨勢——模塊化拼裝只有將背光板切分小型模塊，才能同時實現超薄設計和動態(tài)區(qū)域控制的“側入背光”功能需克服挑戰(zhàn)：各模塊連接的黑縫的消除LED道路照明：從小功率LED到大功率LEDLED道路照明：從無配光到蝙蝠翼配光LED道路照明：從照度均勻到亮度均勻最大光強角度從60度左右增加到67度以上，從而達到了道路的亮度均勻性和縱向均勻性要求LED道路照明：從一體式燈具到模塊化燈具模塊化燈具核心優(yōu)勢：制造成本優(yōu)勢維護優(yōu)勢易標準化可靠性優(yōu)勢一體式燈具模塊化燈具室內照明的應用領域商業(yè)辦公照明商場照明寫字樓照明工礦企業(yè)照明車間照明倉儲照明普通照明家居照明家居照明用于室內照明的主要燈具形態(tài)球泡燈射燈代替25W、40W、60W白熾燈泡代替MR16等鹵素燈，代替節(jié)能燈、金鹵燈筒燈面光源代替原節(jié)能燈的吸頂燈日光燈管代替T8及T5熒光燈一般傳統光源的燈具光輸出比（燈具出射光通量與光源光通量的比值）為70％，而LED燈具可達到90％LED光效優(yōu)勢——高光能利用率傳統光源發(fā)光形式LED發(fā)光形式LED形成截光/半截光光源時，大部分光線不需要經過反射壁反射直接出射燈具效率VS眩光、均勻度要求眩光產生的原因：LED高亮度眩光解決方法：利用混光機制，將LED點光源擴展為面光源出射LED：點光源，需設法將光充分擴散出射LED：亮度集中，眩光大將點光源轉化為面光源出射將光源充分擴展，降低光出射度代價：降低LED燈具的燈具效率提高亮度均勻度眩光控制無混光設計防眩光設計亮度均勻設計58紫外LED的分類LED前沿應用：320-390nm(UVA),375-415nm(UVA2),280-320nm(UVB)250-260nm(UVC),395-445nm(UVV)120100806040200200 300 400 500 600波長(nm)相對強度(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nm高強度汞燈的發(fā)射光譜汞燈與LED光譜比較紫外LED的應用LuminusDevices(390nm)SETI(240–400nm)Enfis(395nmmodule)Nichia(365nm)LedEngin(365nm)主要應用：UV噴墨打印行業(yè)62主要應用：UV曝光機行業(yè)主要應用：UV印刷行業(yè)主要應用：數字曝光行業(yè)數字曝光系統解決方案工業(yè)-3D打印工業(yè)-PCB/FPD平版印刷工業(yè)-商業(yè)印刷(CTP)DLP是一項可編程的光控技術，用于感光材料的曝光。PCB平版印刷、工業(yè)印刷和3D打?。ɡ鄯e制造）等許多不同的應用領域都采用了感光材料和曝光系?？梢姽獬上裢ㄐ攀切箩绕鸬难芯款I域2006年加拿大麥克馬斯特大學的SteveHranilovic等人提出的可見光成像技術2011年美國科學家AshwinAshok等人提出視覺MIMO的概念,進一步將可見光發(fā)射擴展為發(fā)光二極管（LED）陣列，液晶或等離子顯示屏的像素陣列，甚至包括投影儀的數字微鏡反射裝置國際多個研究組織對視覺成像陣列分集、復用、傳輸、通信定位等基礎原理和技術開展研究。可見光成像通信作為一個新的研究領域正在興起。65高速可見光通信系統架構66可見光傳輸LEDPINTxModuleRxModuleLED發(fā)射光源可見光接收ADADDemodulatorDecoderDataBasebandQIPhase編碼調制預均衡解碼解調后均衡

LED可見光通信系統由發(fā)射和接收2部分構成

發(fā)射部分包括電學和光學部分：電學：LED驅動電路，電信號處理(編碼，調制，預均衡),光學：LED芯片，發(fā)射光學天線

接收部分包括電學和光學部分：光學：接收光學天線，探測器芯片電學：接收信號處理(解碼，解調，后均衡)可見光通信的優(yōu)勢67白光對人眼安全；無電磁污染，可以應用在電磁敏感環(huán)境(飛機、醫(yī)院、工業(yè)控制)；可見光通信兼具照明、通信和控制定位等功能，符合國家節(jié)能減排戰(zhàn)略；頻譜無需授權即可使用；可見光通信適合信息安全領域應用。載頻帶寬速率LED可見光400-800THz90M/3G3.75G(10G)b/sWIFI2.4GHz,5GHz

20M/40M54Mb/s60G60GHz7G3Gb/sUWB3.1-10.6GHz500MHz480Mb/s5G28GHz1Gb/sCompoundSemico