论文部分内容阅读
【摘要】由于新型材料的应用及制造工艺的改进，高亮度白光LED在大屏幕显示和背光源等高效照明领域具有巨大的市场潜力，但是量子效率、散热问题仍然是制约其快速发展的瓶颈。本文从白光LED器件的发展历史、发光原理以及存在的问题对白光LED进行了介绍，并结合白光LED产业IPC分类号分布、涉及效率及散热方面改进的专利申请情况对白光LED技术进展进行了分析。
【关键词】白光LED；效率；散热；分类号
中图分类号：TP39文献标识码A文章编号1006-0278（2015）12-137-02
一、LED照明器件发展概述
（一）白光LED发展概述
第一只LED诞生于20世纪60年代初，是应用P-N结发光原理制成的。红色LED在1962年出现，是基于GaAsP半导体材料制成的，其发光效率低，仅为0.111m/w。之后黄光和绿光LED相继出现。当时LED凭借体积小，寿命长，稳定性好等优点迅速被应用于指示灯，而且实现了商业化。根据三基色原理，由于缺少蓝色而无法制成能够直接用于照明光源的白光LED。经过技术革新，日本Nichia公司在1992年首次成功研制出蓝光LED，使LED技术取得显著性进展。两年后，Nichia又制成白光LED，标志着LED开始应用于照明领域。1997年，蓝光LED芯片加黄绿光荧光粉封装而成白光LED被成功研制出来。随后，利用紫外光LED芯片激发三基色荧光粉白光LED也被成功研制。LED的光输出性能每10年提升大约一个数量级，这主要是由于半导体生长技术的进步引起更高纯度和更低密度缺陷的材料，以及应用新型LED结构使量子效率更高。
随着新型材料的应用及制造工艺的改进，高亮度白光LED应用更加广泛。由于器件散热，显色指数等取得技术性的突破，使得高亮度LED的应用延伸至高效率照明领域，如大屏幕显示和背光源等，具有巨大的市场潜力，有望成为具有显著节能前景及广阔照明市场的第四代照明光源。
二、白光LED的原理及其当前存在的问题
（一）白光LED的原理
LED是半导体发光器件，能将电能直接转化为光能。被环氧树脂包裹的LED芯片是LED的核心部分。LED芯片由P型和N型半导体组成，当它们连接起来时，中间就形成一个P-N结。通电后，电子在电场力的作用下会向P区运动，在P区的空穴会向N区运动，电子跟空穴发生复合，然后就会以光子的形式释放出能量。由色度学最基本原理，自然界中大部分色彩包括人眼所能分辨出的白光都可以采用红、绿、蓝按一定的比例混合而成，即三基色原理。
白光LED光源可分为单芯片型、双芯片型和三芯片型。单芯片型是通过单一芯片与荧光粉对应组合产生白光。双芯片型和三芯片型分别是通过两种和三种不同色光的芯片混合封装在一起而产生白光。
（二）当前白光LED存在的问题
当前，随着白光LED技术不断发展，白光LED将是非常有发展潜力新型照明光源，但其仍然存在一系列的问题：
1.反映LED性能优劣有很多工艺参数，其中量子效率就是备受关注的参数之一。当前白光LED的效率并不十分理想。一般情况下，其内量子效率可以高达99%，已很好的满足人们的要求，为了提高白光LED的效率，关键在于提高其外量子效率。目前已实现商业化的白光LED通常是用GaN材料制成。这种器件的内量子效率比较低主要是因为生长的GaN薄膜存在一些缺陷。當前制成的氮化镓LED器件大部分是基于蓝宝石衬底，蓝宝石价格昂贵，而且氮化镓和蓝宝石的晶格不能很好的匹配，失配率高达17%。晶格失配会导致位错和缺陷，这样就会极大影响GaN薄膜质量，进而降低其内量子效率。
2.LED散热问题一直是其快速发展所面临的瓶颈。生长GaN材料的蓝宝石衬底导热率很低，GaN的导热率却很高。如果有比较大的电流通过LED，LED开始工作后，经过一些转化过程，输出光能。在电流转化过程中，PN结的温度会上升，也称为结温。在输出功率饱和的情况下，绝大部分的能量会损失，转化成热能。这样不仅影响LED的工作效率而且还会使芯片的寿命大大降低。
三、专利分析
（一）白光LED技术领域主要分类号分析
在VEN数据库中，统计了白光LED领域的相关分类号数据，对分类号数据进行分析：
从白光LED领域专利重点IPC分布来看，全球LED专利技术主题主要集中在H部的电气元件分布的电光源大类（H01L33，H01L25，H01L23）、F部的照明部分F21（F21V29，F21S8，F21L2，F21S19，F21S4，F21V15，F21S6），另外，F21Y涉及到LED光源的构成，例如可以与小类F21S和F21V相结合的引得码F21Y101/02。
（二）白光LED效率技术专利分析
针对白光LED效率低的问题，专利文献CN104134727A（发明名称：生长在Zr衬底上的InGaN/GaN多量子阱及其制备方法；IC分类号：H01L33/06，H01L33/32，H01L33/00）给出了相应的解决方案。
具体方案：在金属Zr衬底上的InGaN/GaN多量子阱，包括生长在Zr衬底上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的InGaN/GaN量子阱。Zr衬底上的InGaN/GaN无论在光电学性质上，还是缺陷密度、结晶质量都具有非常好的性能。
（三）白光LED散热技术专利分析
针对白光LED散热问题，专利文献JP特开2013-243003A（发明名称：灯泡形灯及照明器具；IPC分类号：F21S 2/00，H01L33/00；FT：3K243，3K244，5F142；FT分类号有准确的细分，检索时可优先考虑）给出了相应的解决方案。
具体方案：LED元件产生的热从基板向支承体导热，进而从支承体向灯头导热，由此，通过插座向照明器具侧散热。
在检索涉及白光LED效率或散热方面的专利申请时，使用关键词检索噪声较大，可以优先使用分类号进行检索，分类号需要重点检索F21（F21V29、F21S8、F21L2、F21S19、F21S4、F21V15，F21S6），H01L（H01L33，H01L25，H01L23）等分类号，也可以将IC分类号与引得码结合使用。由于在白光LED技术领域，日、欧的技术相对较发达，因此，可优先使用FT/EC/ CPC分类号进行检索。另外，全文库也是检索的重点。
【关键词】白光LED；效率；散热；分类号
中图分类号：TP39文献标识码A文章编号1006-0278（2015）12-137-02
一、LED照明器件发展概述
（一）白光LED发展概述
第一只LED诞生于20世纪60年代初，是应用P-N结发光原理制成的。红色LED在1962年出现，是基于GaAsP半导体材料制成的，其发光效率低，仅为0.111m/w。之后黄光和绿光LED相继出现。当时LED凭借体积小，寿命长，稳定性好等优点迅速被应用于指示灯，而且实现了商业化。根据三基色原理，由于缺少蓝色而无法制成能够直接用于照明光源的白光LED。经过技术革新，日本Nichia公司在1992年首次成功研制出蓝光LED，使LED技术取得显著性进展。两年后，Nichia又制成白光LED，标志着LED开始应用于照明领域。1997年，蓝光LED芯片加黄绿光荧光粉封装而成白光LED被成功研制出来。随后，利用紫外光LED芯片激发三基色荧光粉白光LED也被成功研制。LED的光输出性能每10年提升大约一个数量级，这主要是由于半导体生长技术的进步引起更高纯度和更低密度缺陷的材料，以及应用新型LED结构使量子效率更高。
随着新型材料的应用及制造工艺的改进，高亮度白光LED应用更加广泛。由于器件散热，显色指数等取得技术性的突破，使得高亮度LED的应用延伸至高效率照明领域，如大屏幕显示和背光源等，具有巨大的市场潜力，有望成为具有显著节能前景及广阔照明市场的第四代照明光源。
二、白光LED的原理及其当前存在的问题
（一）白光LED的原理
LED是半导体发光器件，能将电能直接转化为光能。被环氧树脂包裹的LED芯片是LED的核心部分。LED芯片由P型和N型半导体组成，当它们连接起来时，中间就形成一个P-N结。通电后，电子在电场力的作用下会向P区运动，在P区的空穴会向N区运动，电子跟空穴发生复合，然后就会以光子的形式释放出能量。由色度学最基本原理，自然界中大部分色彩包括人眼所能分辨出的白光都可以采用红、绿、蓝按一定的比例混合而成，即三基色原理。
白光LED光源可分为单芯片型、双芯片型和三芯片型。单芯片型是通过单一芯片与荧光粉对应组合产生白光。双芯片型和三芯片型分别是通过两种和三种不同色光的芯片混合封装在一起而产生白光。
（二）当前白光LED存在的问题
当前，随着白光LED技术不断发展，白光LED将是非常有发展潜力新型照明光源，但其仍然存在一系列的问题：
1.反映LED性能优劣有很多工艺参数，其中量子效率就是备受关注的参数之一。当前白光LED的效率并不十分理想。一般情况下，其内量子效率可以高达99%，已很好的满足人们的要求，为了提高白光LED的效率，关键在于提高其外量子效率。目前已实现商业化的白光LED通常是用GaN材料制成。这种器件的内量子效率比较低主要是因为生长的GaN薄膜存在一些缺陷。當前制成的氮化镓LED器件大部分是基于蓝宝石衬底，蓝宝石价格昂贵，而且氮化镓和蓝宝石的晶格不能很好的匹配，失配率高达17%。晶格失配会导致位错和缺陷，这样就会极大影响GaN薄膜质量，进而降低其内量子效率。
2.LED散热问题一直是其快速发展所面临的瓶颈。生长GaN材料的蓝宝石衬底导热率很低，GaN的导热率却很高。如果有比较大的电流通过LED，LED开始工作后，经过一些转化过程，输出光能。在电流转化过程中，PN结的温度会上升，也称为结温。在输出功率饱和的情况下，绝大部分的能量会损失，转化成热能。这样不仅影响LED的工作效率而且还会使芯片的寿命大大降低。
三、专利分析
（一）白光LED技术领域主要分类号分析
在VEN数据库中，统计了白光LED领域的相关分类号数据，对分类号数据进行分析：
从白光LED领域专利重点IPC分布来看，全球LED专利技术主题主要集中在H部的电气元件分布的电光源大类（H01L33，H01L25，H01L23）、F部的照明部分F21（F21V29，F21S8，F21L2，F21S19，F21S4，F21V15，F21S6），另外，F21Y涉及到LED光源的构成，例如可以与小类F21S和F21V相结合的引得码F21Y101/02。
（二）白光LED效率技术专利分析
针对白光LED效率低的问题，专利文献CN104134727A（发明名称：生长在Zr衬底上的InGaN/GaN多量子阱及其制备方法；IC分类号：H01L33/06，H01L33/32，H01L33/00）给出了相应的解决方案。
具体方案：在金属Zr衬底上的InGaN/GaN多量子阱，包括生长在Zr衬底上的GaN缓冲层，生长在GaN缓冲层上的非掺杂GaN层，生长在非掺杂GaN层上的InGaN/GaN量子阱。Zr衬底上的InGaN/GaN无论在光电学性质上，还是缺陷密度、结晶质量都具有非常好的性能。
（三）白光LED散热技术专利分析
针对白光LED散热问题，专利文献JP特开2013-243003A（发明名称：灯泡形灯及照明器具；IPC分类号：F21S 2/00，H01L33/00；FT：3K243，3K244，5F142；FT分类号有准确的细分，检索时可优先考虑）给出了相应的解决方案。
具体方案：LED元件产生的热从基板向支承体导热，进而从支承体向灯头导热，由此，通过插座向照明器具侧散热。
在检索涉及白光LED效率或散热方面的专利申请时，使用关键词检索噪声较大，可以优先使用分类号进行检索，分类号需要重点检索F21（F21V29、F21S8、F21L2、F21S19、F21S4、F21V15，F21S6），H01L（H01L33，H01L25，H01L23）等分类号，也可以将IC分类号与引得码结合使用。由于在白光LED技术领域，日、欧的技术相对较发达，因此，可优先使用FT/EC/ CPC分类号进行检索。另外，全文库也是检索的重点。