的发展简史

上篇　LED技术基础

0　引　　言

0．1　革命性的光源——LED

LED是Light Emitting Diode（发光二极管）的简称，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。与其他照明方式相比，LED照明发光效率高、环保、不易破损、寿命长，是理想的照明光源。

人类照明经历了以下四次革命。

人类的诞生和照明的起源几乎同时发生，从某种意义上说，人类的诞生甚至由照明引起，即照明的第一次革命——火的出现。燃烧产生的大部分能量都以红外线的形式辐射出去，发光效率极低。

直到1879年，爱迪生发明了使用炭丝做灯丝的世界上的第一盏白炽灯，开始了人类照明史上的第二次革命。由于是由灯丝发热产生可见光照明，所以白炽灯的发光效率偏低，电能转换成光能的效率不到5%。

照明的第三次革命来自荧光灯，时间从20世纪40年代开始。荧光灯是冷光源，相比白炽灯能量转换效率提升了25%，寿命也提高到1000h。

LED照明始于20世纪60年代，最初的GaAsP发光二极管发光效率和亮度较低，只能用于仪表指示灯。20世纪下半叶，随着技术的快速进步，特别是新材料的不断出现，LED照明的发光效率和能量转换效率都在快速提高。到2000年，照明效率指标已经达到并超过了荧光灯，被视为人类照明的第四次革命。

LED之所以是一种新的革命性光源，是因为它与目前仍在使用的传统光源白炽灯和荧光灯相比，在许多方面都具有无可比拟的优势。

与传统的光源相比，归纳起来，LED的优势主要体现在以下几方面。

（1）节能。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80%～90%。相同光通量的LED比白炽灯节能数倍，比节能灯还要节能20%～30%。

（2）环保。在生产过程中，LED不需要添加汞，也不需要充气，不需要玻璃外壳，光线质量高，基本上无辐射，体积小，抗冲击性好，抗震性好，不易破碎，便于运输，因此，非常环保，属于典型的“绿色照明”光源。

（3）寿命长。LED的寿命普遍在5万～10万小时之间，寿命十倍于荧光灯、数十倍于白炽灯，而且因为LED是半导体器件，即使是频繁地开关，也不会影响使用寿命。

（4）单色性和方向性好。发光的波长范围很窄，因此，单色性非常好、颜色纯且亮度高，光线发散角低，亮度衰减慢。

（5）响应速度快。响应速度在微秒级别，通电即亮，不会出现延迟和闪烁的现象。

（6）易于驱动和控制。直流低电压驱动，负载小、干扰弱，对使用环境要求较低，而且容易控制其发光光谱的组成，从而实现各种颜色的光。

（7）显色指数高。对色彩的还原性好，对人的眼睛伤害较低。

目前，LED之所以还没有全面取代荧光灯的主要原因是成本。同样亮度的白炽灯、荧光灯和LED灯使用10000h，LED灯的总成本比荧光灯的高，但比白炽灯的要低。LED灯的总成本较高的原因是由于目前光源成本较高。随着对LED的大规模投入，LED光源的成本下降是大势所趋。

0.2 LED的发展简史

1907年，Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；更难处在于，碳化硅与电致发光不能很好地适应，研究被摒弃了。20世纪20年代晚期，Bernard Gudden和Robert Richard在德国使用从锌硫化物和铜中提炼的黄磷发光，但因发光暗淡而停止。

1936年，George Destiau写了一篇关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和认识的广泛，出现了“电致发光”这个术语。

20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED，并于20世纪60年代面世。据说在早期的试验中，LED需要放置在液化氮里，更需要进一步的操作与突破，以便能高效地工作在室温下。虽然第一个商用LED仅仅能发出不可视的红外光，但还是迅速应用于感应与光电领域。

1962年，GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓（GaAsP）半导体化合物，从此，可见光发光二极管步入商业化发展进程。

1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生，它是使用锗材料做成的可发出红外光的LED，当时的单价约为45美元。不久以后，Monsanto和惠普公司推出了使用GaAsP材料制作的商用化红色LED。这种LED的效率约为0．1lm／W，比一般60～100W白炽灯15 lm／W的发光效率要低约1／100。

1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1lm／W，并且能够发出红光、橙光和黄光。

1971年，业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。

20世纪70年代，由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用，其价格直线下跌。事实上，那时LED的主打市场是数字与文字显示技术应用领域。

20世纪80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAs LED，它能以10lm／W的发光效率发出红光。这一技术进步使LED能够应用于室外信息发布及汽车高位刹车灯（CHMSL）设备。

1990年，业界又开发出了能够提供红色器件性能的AlInGaP技术，这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。

1994年，日本科学家中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝色发光二极管，由此引发了对GaN基片LED研究和开发的热潮。

20世纪90年代后期，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED，但色泽不均匀，使用寿命短，价格高。随着技术的不断进步，近年来白光LED的发展迅速，白光LED的发光效率已经达到38lm／W，实验室研究成果可以达到70lm／W，大大超过白炽灯，向荧光灯逼近，至2013年初Cree公司商业化的白光LED产品发光效率的数据已达150lm／W，实验室数据已超过200lm／W。

1991年至2001年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了近30倍。目前，效率最高的LED使用透明衬底AlInGaP材料制成。

0．3　LED的应用

由于LED具有以上优点，所以其应用范围非常广泛。LED最初用于仪表仪器的指示性照明，随后扩展到交通信号灯，再到景观照明、车用照明和手机键盘及背光源等。不同的LED技术应用于不同的产品。从大类上来看，LED按照发光波长可以分为不可见光和可见光两类。其中可见光又可以分为一般亮度LED和高亮度LED，目前发展的重点是高亮度LED。其中红橙黄光芯片使用四元的AlInGaP作为材料，蓝绿光芯片则使用三元的InGaN作为材料。随着蓝光技术的逐步成熟，也可以通过不同技术生成更具通用性的白光LED，为LED进入各类照明领域铺平了道路。

表0．1列出了LED分类及应用领域。

表0．1　LED分类及应用领域

目前，LED主要应用于以下领域。

（1）景观照明市场（见图0．1）。其包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等，主要用于重要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁、社区、庭院、草坪、家居、休闲娱乐场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业照明。

（2）背光源。LED作为背光源已普遍运用于手机、计算机、手持掌上电子产品、汽车、飞机仪表盘等（见图0．2）。

（3）户外大屏幕显示。由于高亮度LED能产生红、绿、蓝三原色的光，所以LED全彩色大屏幕显示屏在金融、证券、交通、机场、邮电等领域备受青睐。近两年来，全彩色LED户外显示屏代替传统的灯箱、霓虹灯、磁翻板等已成为主流，尤其在各大型体育场馆几乎已成为标准配备。

图0．1　景观照明：“鸟巢”和“水立方”

图0．2　手机及液晶显示屏的背光源

（4）交通灯。由于红、黄、绿光LED具有亮度高、寿命长、省电等优点，所以在交通信号灯市场的需求大幅增加。交通信号灯的外观如图0．3所示。例如，自2000年厦门市采用第一座LED交通信号灯后，如今厦门市100多座交通信号灯已有近70%更换为LED；上海市则明文规定，新的交通信号灯一律采用LED。

（5）汽车。车用市场是运用LED最快的市场，主要用于车内的仪表盘、空调、音响等指示灯及内部阅读灯，车外的第三刹车灯、尾灯、转向灯、侧灯等。

（6）特殊工作照明和军事运用。由于LED光源具有抗震性、耐候性、密封性好，以及热辐射低、体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中。

（7）其他应用。LED还可用于玩具、礼品、手电筒、圣诞灯等轻工产品中，我国作为全球轻工产品的重要生产基地，对LED有着巨大的市场需求。

图0．3　交通信号灯

0．4　LED行业的广阔前景

21世纪是光学与光电技术迅猛发展的时代，无论是从人类社会科学技术发展的客观趋势来看，还是从我国中长期发展规划来看，光学与光电技术相关行业的发展空间都将是无比广阔的，发展潜力是巨大的。

我国在珠三角地区的中长期发展规划中，很重视高新技术产业的发展，其中一个重要领域就是光电技术行业，而LED更是近年来光电行业中的一个热点：在“节能与环保”成为国家基本国策的形势下，2010年，LED相关技术行业在经过了多年暗流涌动式的发展之后，终于迎来了井喷式的发展：国家正式将以LED技术为核心的绿色照明行业定为资金和技术投入的重点。全国几乎每一个省都成立了LED技术发展经济园区，广东省几乎每一个地级市都成立了LED技术发展经济园区。LED及光电技术相关行业的发展前景非常良好。

作为传统的光源照明生产基地，得天独厚的中山市的LED产业自然“不甘人后”。中山市已把LED产业列入“十二五”规划项目，许多企业积极进军该领域，据不完全统计，目前，单在古镇一个地方，已经在工商部门登记注册的LED相关的企业就有6000多家。站在国家物质文明建设的高度看，随着工业化进程的推进，“绿色照明工程”已成为人类进入环保、节能照明时代的象征。中山市已被广东省列为第一批“绿色照明示范工程”试点城市。未来两年内，中山市将以建设“广东省绿色照明示范城市”为契机，进一步加快绿色照明示范工程在全市范围内的实施，计划在完成50000盏LED大功率白光路灯的新装或改造工程，通过示范工程的实施，不断加强LED新技术的研发和应用，带动LED新兴战略产业的更快发展。

2009年，广东省中山市LED及相关配套产业实现产值65亿元，比2008年产值增加30%，产业增长势头强劲。根据广东省科技厅LED产业技术路线图发展研究报告数据显示，2009年中山市半导体照明产业规模居广东省第二位。中山市照明应用产业链基本完善，在工艺引进、封装研发、驱动电路、LED灯具二次开发等环节都有着许多企业，形成了颇具活力的LED照明新兴产业，涌现出朗能电器、鸿宝电业、华艺灯饰、胜球灯饰、泰腾灯饰、木林森电子、华电科技照明等一批实力较强的照明企业。

发展迅猛的LED行业需要大量的LED相关技术人才。目前，LED行业高端人才基本是各高等院校的科研人员，这部分人从事上游的LED芯片研发工作，难以和国内企业的实际状况很好地结合而得到应用。而需求量大的位于中端的封装、LED驱动与控制、LED照明灯具方面的设计和生产线技术人才，如LED封装操作工及技术员、技师，LED封装半成品及成品品检技术员，LED电源设计工程师，LED电源生产操作工，技术员，LED灯具结构及散热设计工程师，LED光源配光设计工程师，LED灯具安装工、技术员，LED显示屏结构设计工程师，LED显示屏显示控制工程师，LED显示屏安装工、技术员等都十分缺乏。LED及应用技术方面的就业前景也十分广阔。

可以预测，10年后LED将是人类照明的主流光源。但是，作为一个新兴的技术领域，与传统的光源相比，LED的技术在一些方面还不成熟、不健全。要真正实现用LED代替传统光源，还有很多技术难题需要解决，例如，大功率LED散热和光效等问题，这都需要业内人士的共同努力才能解决。