1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED重要概念ABC-LED重要概念ABC光譜表示相對于光的波長，光的強度的分布。HYPERLINK/led的光譜一般為單色LED，例如藍色LED以波長470nm時為峰值呈山峰分布，以峰值波長較短的紫外領域和峰值波長較長的綠色領域為光的強度的測定極限。而白熾燈的光譜，其發光強度廣泛分布于400nm多的藍色領域至700nm多的近紅外領域，在紫外領域和紅外領域也能觀測到發光強度。熒光燈方面，組合使用的熒光體的發光波長部分為光譜的峰值。與普通紅色、綠色和藍色LED的光譜峰值只有一個相比，白色LED的光譜則有很

2、大不同。例如藍色領域和黃色領域會有兩個發光強度的峰值，或者在藍色領域、黃色領域和紅色領域有三個峰值，甚至還會出現更多的峰值。這是因為，白色LED的白色光是組合了多個波長的光獲得的。例如，組合藍色LED和黃色熒光體時，峰值在藍色領域和黃色領域出現。另外，基于藍色LED的發光強度的峰值較尖，而基于熒光體的峰值較為平緩。將LED用于液晶面板背照燈時，最理想的情況是LED的光譜在紅色、綠色和藍色三個領域出現發光強度的峰值。這是因為LED的光最終將經由液晶面板的彩色濾光片（紅色、綠色、藍色）輸出到外部。獲得三個發光強度的峰值時，有使用紅色、綠色和藍色三種LED的方法，以及通過改進熒光體材料、使用可獲得三

3、個峰值的白色LED的方法。發光光譜有很大不同藍色LED和YAG類熒光體、藍色LED和ZnSe單結晶底板的發光、紫外LED和RGB熒光體等白色LED的發光光譜與熒光燈和自然光的比較。雖然都是白色，但發光光譜大為不同。另一方面，LED用于普通的HYPERLINK/照明器具時，光譜廣泛分布在可視光領域的白色LED較受歡迎。原因是接近自然光，即太陽光的光譜的光線照射物體時，物體的顏色與照射自然光時接近的緣故。光通量、光強、亮度和照度光通量是表示光源整體亮度的指標。單位為lm（流明）。在表示照明光源的明亮程度時經常使用。是參考人眼的靈敏度（視覺靈敏度）來表示光源放射光亮度的物理量。具體數值為各向同性的發

4、光強度為1cd（堪德拉）的光源在1sr（立體弧度）的立體角內放射的光通量為1lm。此處的sr為立體角的單位，表示從球面向球心截取的面積為半徑（r）的2次方（r2）的圓錐體的頂角。光強是表示光通量立體角密度的指標。單位為cd。多在表示顯示用LED等的眩光時使用。其定義為：發射5401012Hz（波長555nm）頻率單色光，在指定方向的光線發射強度為1/683W/sr的光源，在該方向的光強就定義為1cd。亮度是表示從光源及反射面和透射面等二次光源向觀測者發出的光的強度指標。單位為cd/m2。與光通量一樣，是結合人眼的靈敏度表示的物理量。大多在表示液晶面板和PDP等顯示器畫面的亮度時使用。照度是表示

5、照射到平面上的光的亮度指標。單位為lx（勒克司），有時也標記為lm/m2。是指光源射向平面狀物體的光通量中，每單位面積的光通量。用于比較照明器具照射到平面上的明亮程度。光通量與照度和光強的關系光通量、光強、亮度和照度的關系簡單歸納如下：光通量除以單位立體角等于光強；光通量除以單位面積等于照度，光強除以單位面積等于亮度。發光效率（luminousefficacy）評測光源效率的指標，用光源發出的光通量（lm）與向光源輸入的電力（W）之比表示。單位為lm/W。發光效率只表示光源的效率，與將光源安裝到照明器具上后器具的整體效率（綜合效率）是不同的概念。發光效率是將外部量子效率用視覺靈敏度（人眼對光的

6、靈敏度）來表示的數值。外部量子效率是發射到HYPERLINK/Waferchip.htmLED芯片和封裝外的光子個數相對于流經LED的電子個數（電流）所占的比例。組合使用藍色LED芯片和熒光體的白色LED的外部量子效率，是相對于內部量子效率（在LED芯片發光層內發生的光子個數占流經LED芯片的電子個數（電流）的比例）、芯片的光取出效率（將所發的光取出到LED芯片之外的比例）、熒光體的轉換效率（芯片發出的光照到熒光體上轉換為不同波長的比例）以及封裝的光取出效率（由LED和熒光體發射到封裝外的光線比例）的乘積決定。在發光層產生的光子的一部分或在LED芯片內被吸收，或在LED芯片內不停地反射，出不了

7、LED芯片。因此，外部量子效率比內部量子效率要低。發光效率為100lm/W的白色LED，其輸入電力只有32作為光能輸出到了外部。剩余的68轉變為熱能。今后3年將提高100lm/W發光效率在2003年之前一直以每年數lm/W的速度緩慢提高。在提高發光效率時，最初未改變熒光體和封裝，而是致力于改進芯片技術。具體而言，進行了諸如改善藍色LED芯片所使用的GaN類半導體結晶的HYPERLINK/info/search-mocvd.htmMOCVD結晶成長技術等。從2004年開始，發光效率以每年1020lm/W的速度提高。由此，從2004年的50lm/W到2008年的100lm/W，4年間提高了50lm

8、/W。這種速度的實現，借助了將原來聚集于成膜技術的芯片技術改進擴展至了整個LED制造工藝那樣的重大調整。另外，除了改進芯片技術外，還開始對熒光體進行改善。68為熱損失對發光效率為100lm/W的白色LED的能源轉換進行模擬的結果。白色LED實現了與熒光燈同等以上的發光效率，但只有輸入電力的32能作為光能輸出到外部。剩余的68轉變為了熱能。該模擬為向直徑5mm的炮彈型白色LED輸入62mW電力時的結果。白色LED是通過組合使用藍色LED芯片和黃色熒光體獲得的。今后，各LED廠商擬將把2008年實現的100lm/W發光效率，提高至2010年的140170lm，2011年提高至150200lm/W。

9、也就是說，在發光效率上領先于新加入進來的廠商的LED廠的目標是，平均每年提高30lm/W以上，3年提高100lm/W。LED的發光效率的上限被認為是250lm/W左右，各LED廠商正在挑戰能以何種程度逼近上限。為挑戰該上限，LED廠商正在全面導入最新的芯片技術、熒光體技術以及封裝技術。芯片技術方面，將繼續提高內部量子效率和光取出效率。熒光體方面，除了提高變換效率外，還要采取措施降低因熒光體散射造成的衰減。封裝技術方面，要改善材料和構造，以提高光取出效率。色溫（colortemperature）指用黑體（理論上可完全吸收外來光的虛擬物體）的溫度表示光的顏色的數值。單位為K（開爾文）。黑體發出光的

10、波長分布（色調）因溫度而異。色溫常用于表示熒光燈和白色LED的光色，及顯示器可顯示的白色的程度。一般來說，色溫低時看上去發紅，色溫高時發青。以白色LED為例，結合使用藍色LED芯片和黃色熒光體的一般品種（平均演色性指數Ra為70以上）多為色溫在6000K以上的晝光色，而追加紅色熒光體等紅色光的燈泡色LED的色溫多在3000K以下。改進與藍色LED芯片組合的熒光體的光色，還可獲得4000K以上和5000K以上等色溫。色溫可依照明器具的設置場所分別使用。例如，辦公室等最好設置與太陽光接近、色溫較高的照明器具，而一般家庭和飯店等大多喜歡采用與白熾燈接近、色溫較低的照明器具。照度和色溫的變化最近，按照

11、一天內的時間變化及季節進行調光的產品已實現。例如，日本岡村制作所上市了使用LED進行細微調整的照明系統。特點是具有可隨著人體生物鐘按照約一天周期有規律地改變照度和色溫的功能。預設了調光程序，對1年中每一天，可按照時間和季節的變化，使照度在400800lx范圍內分5個階段、色溫在30005000K范圍內分5個階段而變化。這樣便可按照人們早上醒來、白天活動、夜晚睡眠的自然環境進行周期性調光。人們有了更加舒適的光照環境，能夠更有效地工作。演色性（colorrendition）指利用照明器具的光照射物體時，反映以何種程度再現了與自然光照射時相同顏色的指標。一般情況下，多使用平均演色性指數（Ra）來表示

12、。平均演色性指數越接近100的光源，越能再現與自然光照射時相同的顏色。作為照明用途，普通家庭和辦公室室內使用的照明器具的Ra為80以上、走廊等為70以上；美術館、物品檢驗以及店鋪等注重演色性的用途，大多在90以上。用于照明的白色LED，大體分為低Ra和高Ra品種。演色性與發光效率具有此消彼長的關系，優先考慮演色性，發光效率會降低2030。為此，出現了發光效率優先和演色性優先的不同品種。演色性高的光，其光譜接近自然光。也就是說，發光強度相對于發光波長的變化較小；而發光效率高的光，在人眼視覺靈敏度（人眼對光的靈敏度）高的領域（550nm附近的峰值），其發光峰值較大。例如，組合藍色LED芯片和黃色熒

13、光體得到的疑似白光的普通白色LED，其Ra只有70多。在其中添加紅色熒光體等即可將Ra提高到80以上。Ra超過90的白色LED則是出于使發光光譜的變化更加平滑的目的，而對藍色LED組合使用了綠色熒光體和紅色熒光體等。此外，對近紫外LED組合使用紅色、綠色和藍色等多種熒光體，可獲得Ra超過90的白色LED。高效率、高演色LED目前使用藍寶石底板的藍色LED和黃色熒光體等白色HYPERLINK/led封裝是主流，但三菱化學計劃通過組合采用m面-GaN底板的近紫外LED和紅/綠/藍色（RGB）熒光體來實現高效率、高演色的LED。Ra是對普遍存在的、有代表性的8種顏色的演色性指數（將待評測照明光源照射

14、物體時的顏色與基準光源照射時的顏色相比較的值）的平均值。計算演色性指數的8種代表性顏色為：暗灰色、暗黃色、深黃綠色、黃綠色、淡藍綠色、淡藍色、淡紫色、紅紫色。調光（dimming）將光源發出的光調節為希望的亮度的做法。LED與白熾燈一樣，比熒光管更容易進行微細調光。通過在點亮LED的電源電路中，改變輸入LED的電流大小和占空比（導通時間與截至時間之比）來調節亮度。如同利用滑線電阻調壓器調節白熾燈亮度一樣，LED照明也能實現所希望的亮度，目前已經開發出了具備調光功能的產品。除了埋入天花板等的LED照明器具外，HYPERLINK/LED.htmLED燈泡中也有利用遙控器進行調光的產品。組合使用光傳

15、感器，根據外光的亮度自動調光的LED照明器具也已經面世。液晶面板的LED背照燈的調光是指，整體調節LED背照燈的發光，或者對背照燈進行部分控制。通過根據液晶面板顯示的影像控制LED的發光，能夠在確保峰值亮度的同時，降低較暗部分的亮度。例如，東芝的“CHYPERLINK/EL.htmELLREGZA55X1”液晶電視配備了直下型白色LED背照燈。針對輸入影像對512個領域（1632）的LED發光情況分別進行控制。通過使領域內配備的多個白色LED以最大亮度發光，峰值亮度實現了1250cd/m2，影像顯示時的對比度實現了500萬比1。光效下降現象（LEDdroop）光效下降現象是指，向芯片輸入較大電

16、力時LED的發光效率反而會降低的現象。作為有助于削減單位光通量成本的技術，各LED廠商都在致力于抑制光效下降現象。如果能抑制該現象，使用相同的芯片，在輸入較大的電力時會增加光通量。因此，可減少用于獲得相同光通量的芯片數，從而削減單位光通量的成本。美國飛利浦流明（PhilipsLumiledsLighting）等很早就開始研究如何抑制光效下降現象。現在，日亞化學工業和德國歐司朗光電半導體（OSRAMOptoSemiconductorsGmbH）等眾多LED廠商也開始傾力研究。各LED廠商打算把在輸入電流1A，輸入功率3W時明顯出現光效下降現象的電流和功率的領域擴大約3倍。抑制“光效下降現象”作為

17、削減單位光通量成本的方法，各LED廠商紛紛致力于抑制“光效下降現象”。各LED廠商均沒有公布光效下降現象的發生原理及其抑制方法的詳情。然而，有廠商透露，芯片的發熱及電流集中等若干參數與光效下降現象有關。例如，輸入較大電力時，芯片的光發生量增多，同時發熱也增多。這種發熱會使芯片內部的量子效率惡化，從而導致光效下降現象。因此，有LED廠商認為，為抑制光效下降現象，采用散熱性高的封裝構造，即使輸入較大電力芯片溫度也不會上升的改進會對抑制光效下降現象有效。另外，有觀點認為，如果LED芯片內的電流密度變大，就容易引發光效下降現象。量子阱（quantumwell）利用帶隙較寬的層夾住帶隙窄且極薄的層形成的

18、構造。帶隙較窄的層的電勢要比周圍（帶隙較寬的層）低，因此形成了勢阱（量子阱）。在LED和半導體激光器中，量子阱構造用于放射光的活性層。重疊多層量子阱的構造被稱為多重量子阱（MQW：multiquantumwell）。藍色LED等是通過改良量子阱構造等GaN類結晶層的構造取得進展的。GaN類LED在成為MIS（metal-insulatorsemiconductor）構造，pn接合型雙異質結構造，采用單一量子阱的雙異質結構造以及采用多重量子阱的雙異質結構造的過程中，其亮度和色純度得到了提高。采用MIS構造的藍色LED在還沒有實現p型GaN膜時，就被廣泛開發并實現了產品化。缺點是光強只有數百mcd

19、。p型GaN膜被造出來之后，采用pn接合型雙異質結構造的藍色LED得以實現。與MIS構造相比，發光亮度達到了1cd，是前者的10倍左右。如果用多重量子阱構造來取代pn接合型雙異質結構造，發光光度和色純度會進一步提高（發光光譜的半值幅度變窄）。GaN類藍色HYPERLINK/Normal.htm發光二極管的構造變遷（a）為采用MIS（metal-insulator-semiconductor）構造的藍色LED。（b）為采用多重量子阱（MQW：multiquantumwell）構造的藍色LED。雙異質結構造是指在LED和半導體激光器等中，在活性層的兩側設置了能隙比活性層還要大的包覆層的構造。可獲得

20、將電子和空穴封閉在活性層內的效果。所以發光元件采用雙異質結構造的話，可提高光輸出。另外，只在活性層的一側設置能隙較大的包覆層的構造被稱為單異質結。接合溫度（junctiontemperature）半導體元件內部的溫度。在LED中是指芯片內發光層（pn結間設置多重量子阱構造的位置）的溫度。LED芯片的發光層在點亮時溫度會上升。一般情況下，接合溫度越高，發光效率就越低。LED隨著輸入電流的增加盡管光通量會提高，但發熱量會變大。由此會出現發光層的溫度（接合溫度）升高而使發光效率降低，功耗增加，從而使接合溫度進一步上升的惡性循環。通過降低LED芯片封裝及該封裝安裝底板的熱阻，使芯片產生的熱量得以散發，

21、避免接合溫度上升等改進，可以提高亮度。接合溫度為：熱阻輸入電力+環境溫度，因此如果提高接合溫度的最大額定值，即使環境溫度非常高，LED也能正常工作。例如，在白色LED中，有的LED芯片品種的可容許接合溫度最高達到+185。接合溫度可因LED的點亮方式而大為不同。例如，脈沖驅動（向LED輸入斷續電流驅動，間歇點亮）LED時，接合溫度就不容易上升，而連續驅動（向LED輸入穩定電流驅動，連續點亮）LED，接合溫度就容易上升。芯片蓄熱的話光強就會降低白色LED配備的LED芯片的發光層在點燈過程中溫度會上升。一般情況下，如果被稱為接合溫度的發光層部分的溫度上升，發光效率就會降低，即使輸入電力也不亮。通過

22、降低LED芯片封裝和封裝底板的熱阻，散發芯片上產生的熱量，設法使接合溫度不上升，能夠使發光更亮如果使用提高了接合溫度最大額定值的LED芯片，在安裝使用時能夠獲得很多優點。例如，由于增加了輸入電力，可提高輸出功率。還可以縮小底板的散熱片等。基片（substrate）LED和半導體激光器等的發光部分的半導體層，是在基片上生長結晶而成。采用的基片根據LED的發光波長不同而區分使用。如果是藍色LED和白色LED等GaN類半導體材料的LED芯片，則使用藍寶石、SiC和Si等作為基片，如果是紅色LED等采用AlInGaP類材料的LED芯片，則使用GaAs等作為基片。因LED發光波長而使用不同基片的原因是為

23、了選擇與LED發光部分半導體結晶的晶格常數盡量接近的晶格常數的廉價基片材料。這樣做晶格常數的差距（晶格失配）就會縮小，在半導體層中阻礙發光的結晶缺陷的可能性就會減少。而且能降低LED芯片的單價。另外，藍紫色半導體激光器等電流密度和光輸出密度較大的元件，則采用昂貴的GaN基片。GaN基片還用于部分藍色LED。底板剝離方法示例歐司朗的做法是在藍寶石底板上形成GaN類結晶層，粘帖金屬反射膜，然后再粘帖作為支持底板的Ge晶圓。之后，利用激光照射溶解掉GaN類結晶層與藍寶石底板的界面部分，剝離藍寶石底板。近年來，為了增加從LED芯片中提取光線，在基片上形成半導體結晶層后，將基片張貼到其他基片上的技術已經

24、實用化。在粘貼到其他基片上時，與半導體結晶層之間的界面上設置了光的反射層。反射層具有反射發光層朝向基片側的光線，將其提取到LED表面側的效果。除了已用于紅色LED外，最近藍色LED等GaN類半導體LED芯片也擴大了采用。采用GaN類半導體材料的LED還有不張貼基片，使之保持剝離狀態的方法。這些方法在外形尺寸較大的LED芯片上較為有效。大尺寸芯片存在著芯片內發生的光射出芯片外時的光徑變長，導致光在這一過程中發生衰減的問題。該問題可通過張貼基片解決。外延生長（epitaxialgrowth）在基片上生長結晶軸相互一致的結晶層的技術。用于制作沒有雜質和缺陷的結晶層。包括在基片上與氣體發生反應以積累結

25、晶層的VPE（氣相生長）法、以及與溶液相互接觸以生長結晶相的LPE（液相生長）法等。藍色LED、白色LED以及藍紫色半導體激光器等GaN類發光元件一般采用VPE法之一的MOCVD（MetalOrganicChemicalVaporDeposition）法進行生產。MOCVD采用有機金屬氣體等作為原料。藍色LED在藍寶石基片和SiC基片上，藍紫色半導體激光器在GaN基片上使用MOCVD裝置使得GaN類半導體層形成外延生長。“404專利”的內容中村修二提出專利權歸屬問題而進行訴訟的“404專利”，是將原料氣體封入藍寶石底板表面附近的方式之一。在生長GaN類半導體膜的底板（藍寶石底板等）表面沿水平方

26、向通入原料氣體，同時為了將原料氣體固定在底板表面，沿垂直方向向底板表面通入非活性氣體。中村修二就其在日亞化學工業工作時所發明專利的“正當價格”與日亞化學工業展開的訴訟中所涉及的GaN類發光元件專利（專利第2628404號，以下稱404專利）就是外延生長GaN類半導體層技術的相關專利。404專利是與在藍寶石基片表面附近封入原料氣體的技術。其特點是，在生長GaN類半導體膜的基片（藍寶石基片等）表面沿水平方向通入原料氣體，同時為了將原料氣體固定在基片表面，還沿垂直方向向基片表面通入非活性氣體。GaN（galliumnitride）由鎵（Ga）和氮（N）構成的化合物半導體。帶隙為3.45eV（用光的波

27、長表示相當于約365nm），比硅（Si）要寬3倍。利用該特性，GaN主要應用于光元件。通過混合銦（In）和鋁（Al）調整帶隙，所獲得的led和藍紫色半導體激光器等發光元件已經實用化。GaN由于帶隙較寬，可產生藍色和綠色等波長較短的光。藍色LED和藍紫色半導體激光器，采用了在GaN中添加In形成的InGaN。除了帶隙較寬以外，GaN還具有絕緣破壞電場高、電場飽和速度快、導熱率高等半導體材料的優異特性。另外，采用HEMT（HighELectronMobilityTransistor）構造的GaN類半導體元件，其載流子遷移率較高，適合用作高頻元件。原因是會產生名為“二維電子氣體層”的電子高速流動領域

28、。而且，由于絕緣破壞電場要比Si和GaAs大，耐壓較高，可施加更高的電壓。因此，在手機基站等高頻功率放大器電路中采用GaN類HEMT的話，能夠提高電力附加效率，降低耗電。最近，GaN作為逆變器及變壓器等電力轉換器使用的功率元件也極受期待。原因是與Si功率元件相比，GaN類功率元件可大幅降低電力損失。由于絕緣破壞電場較高，能夠通過減薄元件降低導通電阻，從而降低導通損失。GaN類功率元件還有助于實現電力轉換器的小型化。原因是與Si功率元件相比，GaN類功率元件能夠以高開關頻率工作，可縮小周邊部件的尺寸。另外，由于導熱率高，還可縮小冷卻機構。鑒于上述優點，從事服務器、混合動力車和電動汽車以及白色家電

29、業務的廠商等非常關注GaN類功率元件。據悉，2011年GaN類功率元件將有望配備于服務器電源。倒裝芯片安裝（flip-chipbonding）在底板上直接安裝芯片的方法之一。連接芯片表面和底板時，并不是像引線鍵合一樣那樣利用引線連接，而是利用陣列狀排列的，名為焊點的突起狀端子進行連接。與引線鍵合相比，可減小安裝面積。另外，由于布線較短，還具有電特性優異的特點。主要用于對小型和薄型具有較高要求的便攜產品電路以及重視電特性的高頻電路等。另外為了將芯片發出的熱量容易地傳遞到底板上，需要解決發熱問題的LED也有采用這種安裝技術的。將LED芯片收納于封裝中時如果采用倒裝芯片技術，發光層（發熱源）距離封裝

30、一側就較近。因此，容易將LED芯片的熱量散發到封裝側。另外，采用倒裝芯片安裝方法安裝LED芯片的話，發光層的光射出外部時不會受到電極的遮蔽。尤其是采用藍寶石底板的藍色LED等只在LED芯片一面設置電極的產品，其效果更為明顯。通過倒裝芯片安裝的LED的發光效率，與采用引線鍵合的安裝相比，可提高數十。用于LSI時可削減芯片面積倒裝芯片安裝多用于LSI。原因是由于芯片整體擁有輸入輸出（I/O）端子，由此可縮小芯片面積。以前，采用通常使用的引線鍵合方法時，I/O端子在芯片周圍，為了備齊所需的I/O數量，必須擴大芯片面積。倒裝芯片安裝方法無需引線的布線空間，所以可縮小封裝。另外還能降低電源噪聲，布線電感

31、以及由電阻引起的電力損失。采用倒裝芯片提高光提取效率通過將位于發光層下部的藍寶石底板設置在上部，提高了光提取效率。標準芯片大型芯片（regularchip/largechip）藍色LED和白色LED的標準芯片是收納于封裝內的LED芯片，大體上一邊的尺寸為200300m。形狀因用途而異，有正方形和長方形等。例如，小型液晶面板背照燈光源使用的白色LED大多配備長方形的藍色LED芯片。相對于標準芯片，還有尺寸在1mm見方，面積為標準芯片10倍的大型芯片。另外，尺寸介于大型芯片和標準芯片之間，稱為“中型”的芯片也日漸增多。以前，輸入功率超過1W的照明器具和大型背照燈用LED不使用標準芯片，而使用大型芯

32、片。但最近安裝多個標準芯片以提高亮度的方法（多芯片型）越來越引人注目。目前在照明用途中，從最常用的輸入功率1W級的品種，到輸入功率超過10W品種的多芯片型均告實現，與采用大尺寸芯片的方法展開了競爭。LED燈泡也開始采用多芯片型，例如東芝照明技術2010年1月發布的產品，就采用了將56個標準芯片集成于一個封裝的白色LED。通過重疊多個芯片減少特性不均大輸出功率白色LED的實現方法包括使用1mm見方的大尺寸藍色LED芯片的方法，以及將多個約0.3mm見方的小尺寸藍色LED芯片收納于一個封裝內的方法。使用多個小尺寸LED芯片，即使封裝內的藍色LED芯片的發光特性不均，由于每個芯片的發光光譜疊加，所以

33、不同封裝之間不容易出現特性偏差。多芯片型和大型芯片各有利弊。從照明器具廠商和用戶等使用方的角度來看，多芯片型的優點是白色LED間的色差較少，散熱面廣。LED芯片目前仍存在發光波長不均的現象。通過使用多個芯片，可使發光波長平均化，降低各個LED封裝間的波長不均現象。此外還具有如下優點：因LED芯片分散于封裝內，不容易發生熱集中現象，由于散熱性好，可輕松控制溫度上升。光學設計（opticaldesign）LED的用途包括指示器、液晶面板背照燈、照明器具以及前照燈等，范圍極廣。對白色LED的發光特性要求呈現出多樣化趨勢。另外，LED是點光源，而且具有指向性較強的特點。要想滿足廣泛的用途要求，需要根據

34、LED的這些特點，采用透鏡等光學部件，將屬于點光源且指向性強的LED光線轉變為所期望光學特性的光學設計必不可少。光學設計將為LED增添價值。日美歐的LED廠商正在瞄準背照燈，車載設備以及照明產品等新興市場擴大業務范圍。在新興市場上，與光學部件的組合使用，面向產品的安裝方法，產品整體的配光控制等越來越重要。LED廠商的目標是涉足這些領域，提高產品的附加值。在照明用途領域，要想接近所期望的光學設計，不但要準備放射角各異的多種產品，LED廠商還在很多方面下了工夫。例如，德國歐司朗光電半導體實現了多種透鏡的使用。備有不同形式的高輸出功率白色LED和透鏡，將放射角各異的透鏡與白色LED相結合。在白色LE

35、D的封裝上開孔，以插入帶有凸起的透鏡。這樣一來，白色LED的放射面和透鏡的光軸便可輕松結合在一起，而且一旦結合在一起，光軸就不會錯位。面向新市場擴大業務領域日美歐的LED廠商欲瞄準背照燈、車載設備以及照明產品等新市場擴大業務領域。在新市場上，與光學部件的組合使用、面向產品的安裝方法以及產品整體的配光控制越來越重要。LED廠商的目標是涉足這些領域，提高產品的附加值。在液晶面板背照燈用途方面，在進行光學設計的基礎上，與LED組合使用以獲得均勻的面發光的光學部件變得越來越重要。散熱（thermaldesign）LED由于發光部較小，為局部熱源，因此必須充分考慮對該部分的散熱對策。LED亮度和壽命受溫

36、度影響會發生大幅變化，因此如果散熱設計不完善，就無法獲得期望的特性。LED的溫度上升，正向電壓就會降低，不但會導致發光效率惡化，還會縮短壽命。照明器具和汽車車燈采用多個白色LED，使用了手機背照燈數百倍的光通量。為了增大電流，亮度越亮，就越需要采取各種散熱對策。溫度容易升高的高功率產品，其封裝也需要采用具有耐熱性的貴重材料，因此還會導致成本增加。也就是說，散熱是關系到效率、成本和壽命等多個方面的重要因素。LED散熱主要是根據熱傳導原理傳遞熱量。因此，其構造為通過向多種材料傳遞熱量，逐步擴大受熱面積，最終向空氣中散熱。傳遞途中存在多種固體材料，材料間存在接觸部分。由于固體與固體的接觸面上存在的微

37、小凹凸以及面的彎曲等，中間會產生縫隙，導致出現熱阻現象。如何抑制熱阻現象的出現是提高LED整體導熱性的關鍵。熱傳導材料方面，具有熱擴散作用的材料尤為重要。充分利用將點的發熱擴大到面的材料，使元件整體保持均勻的溫度。簡而言之，熱源與其周邊幾乎沒有溫差的狀態是LED構造中最為理想的。芯片封裝印刷底板巧妙散發熱量要提高使用LED的產品的散熱性，必須將受電力輸入影響而溫度上升的LED芯片的熱量充分導出。為此，在降低從芯片到封裝的熱阻的基礎上，還要降低從封裝至印刷布線底板的熱阻，為了散發印刷布線底板的熱量，最后還要準備一條將芯片熱量順利散發到空氣中的通道。利用散熱片和散熱管防止LED燈過熱豐田汽車的“雷

38、克薩斯LS600h”上配備的LED前照燈為了防止白色LED燈過熱，在各燈的背面設置了散熱片（a）。為了能更有效地散熱，還設置了散熱管，預防燈殼過熱（b）。通過這些措施，即使不使用基于冷卻扇的強制空冷，也可為白色LED燈散熱。隨著高輸出功率封裝的采用不斷增加，近來，LED照明器具大多在印刷底板中使用金屬底板。不過，即便是金屬底板，確保充分散熱還是越來越困難。對此，散熱性高的新構造底板方案被提了出來。例如，電氣化學工業研究的“AGSP底板”采用在熱傳導較高的絕緣樹脂中嵌入Cu突起，將LED的熱量經由Cu突起散發到安裝面的另一側。如果讓散熱片和外殼能夠接觸，即可實現有效散熱。該公司表示，如果是相當于

39、40W白熾燈的LED，采用金屬底板即可充分散熱，但如果安裝的是相當于100W白熾燈的LED，還是AGSP底板更有效。Cu突起的直徑相對于LED芯片可實現足夠大的4mm左右。散熱性優異的AGSP底板由電氣化學工業與大和工業開發。右為安裝LED封裝的示例。經由Cu突起將LED元件的熱量散發到底板里側。此外，作為高輸出功率LED用底板，還有在熱傳導率較高的AlN板上印刷Ag膏的陶瓷底板。封裝材料（packagingmaterials）將LED芯片安裝到封裝中時，為了將LED芯片發出的光提取到封裝外部，封裝的一部分或者大部分采用透明材料。透明材料使用的是環氧樹脂和硅樹脂，最近還在開發玻璃材料。環氧樹脂

40、用于作為指示器和小型液晶面板背照燈光源使用的、輸出功率較小的LED。而硅樹脂則用于輸出功率較大的LED。硅樹脂與環氧樹脂相比，可抑制材質劣化后光透射率的下降速度。用于照明器具和大尺寸液晶面板背照燈等的高輸出功率產品幾乎全部采用基于硅樹脂的封裝技術。針對波長為400nm450nm的光，環氧樹脂最多會吸收數，而硅樹脂還不到1。樹脂的劣化速度也相對緩慢。有LED廠商稱，采用環氧樹脂的話，到達亮度減半時的壽命最多為1萬小時，而采用硅樹脂，亮度減半所需的時間延長到了4萬小時。順便提一下，4萬小時的元件壽命與照明產品的設計壽命相同，因此照明產品的設計壽命期間無需更換白色LED。采用硅樹脂作為封裝材料，使用

41、一萬小時也幾乎不會發生劣化大輸出功率白色LED中，如果LED芯片的封裝材料使用硅樹脂，400nm左右的光的透射率比環氧樹脂高，而且點亮一萬小時后亮度也幾乎不會發生劣化（a）。另一方面，由于環氧樹脂吸收短波長的光，材質劣化導致透射率下降，因此亮度明顯降低（b）。采用玻璃材料，其劣化抑制效果比硅樹脂還要高。豐田合成等著手進行了研究，在陶瓷底板上設置金（Au）突起，在其上面安裝藍色LED芯片，然后利用混合了黃色熒光體的無機玻璃材料封裝藍色LED芯片整體。由于全部由無機材料構成，因此可靠性較高。熒光體（fluorescentmaterials）在藍色LED和近紫外LED等LED元件中，為了獲得白色光等

42、LED芯片本身發光色以外的光，需要使用熒光體。為形成白色LED而與藍色LED芯片組合使用的熒光體包括，黃色熒光體、黃色熒光體與紅色熒光體的組合、以及綠色熒光體與紅色熒光體的組合等在藍色LED和近紫外LED等LED元件中，為了獲得白色光等LED芯片本身發光色以外的光，需要使用熒光體。為形成白色LED而與藍色LED芯片組合使用的熒光體包括，黃色熒光體、黃色熒光體與紅色熒光體的組合、以及綠色熒光體與紅色熒光體的組合等。熒光體材料包括YAG（釔鋁石榴石）系、TAG（鋱鋁石榴石）系、SiAlON系以及BOS（原硅酸鋇）系等。利用藍色LED芯片和熒光體構成白色LED時，一般采用（1）將熒光體與樹脂材料混合

43、，覆蓋到藍色LED芯片上；（2）將混合了熒光體的膜貼到藍色LED芯片上；（3）在藍色LED芯片的發光面上直接涂布熒光體等方法。其中（1）的方法最為常用。最近比較引人關注的是方法（3）。如果采用在LED芯片上直接涂布熒光體的構造，則只有LED芯片表面部分存在熒光體。由此，通過芯片表面部分后的光不會由于熒光體而發生漫射現象。另外，還能從同一個面上放射藍色和黃色光。尤其是組合使用透鏡時，具有可獲得非常完美的配光等優點。德國歐司朗光電半導體等采用的就是該方法。抑制熒光體的光漫射由日本電氣化學工業與大和工業開發。右為安裝LED封裝的示例。經由Cu突起將LED元件將熒光體直接涂布到芯片上的構造與采用原有構

44、造但改變熒光體粒子大小的方法進行的比較。以前在封裝LED芯片時，采用的是在安裝到LED芯片表面的透明硅樹脂中混合熒光體的方法。采用該方法，根據熒光體發生變化的光波在遇到其他熒光體時會發生漫射。在反復發生漫射的過程中，會導致光衰減。白色LED（whitelightemittingdiodes）白色LED指將多種不同波長的光疊加輸出白色光線的二極管。主要用于液晶面板的背照燈光源、照明光源、霓虹燈、指示器光源以及汽車前照燈光源等，應用范圍較廣。由于耗電量低且壽命長，因此可代替熒光管和白熾燈成為新一代光源而備受期待。白色LED中，加強紅色調，發光顏色與白熾燈相似的品種稱為燈泡色LED。從2008200

45、9年前后開始，發光效率超過80lm/W和100lm/W的白色LED相繼面世，實際使用時的光利用效率超過了熒光燈。由此照明用白色LED的可能性一舉提高。LED廠商和LED照明的業界團體，已經制定了今后進一步提高高輸出功率產品的發光效率的發展藍圖。白色LED單位亮度的價格在逐年降低。例如與熒光燈相比，獲得1lm光通量的光源價格，2005年時白色LED約高出100倍，但LED廠商通過增加生產設備，提高成品率，將單位亮度的價格現在控制在了熒光燈的2倍以內。將藍色LED等與熒光材料相組合白色光的實現方法大體分為三種。第一，用藍色LED芯片發出的光線照射熒光體得到白色光。第二，將近紫外LED芯片發出的光線

46、照射多種熒光材料使得光線混合成白色。第三，使R(紅色)，G（藍色），B（藍色）三色LED同時發光混色而成。不斷提高的白色LED效率日亞化學工業的量產白色LED的發光效率變化圖。包括脈沖發光產品在內。其中的主流方法是利用藍色LED芯片的白色LED。熒光材料包括采用黃色熒光材料、在黃色熒光體中加入紅色熒光體的材料、以及組合了綠色熒光體和紅色熒光體的材料等。例如使用黃色熒光體時，用藍色光的一部分照射熒光體，輸出黃色光，再混合藍色和黃色而獲得白色光。此時，紅色光較弱，所以只能得到近似白色光；由于色溫較高，因此形成的是藍白光（色溫較高的光）。這一問題可通過使用紅色熒光體減輕。如果進一步加強紅色熒光體發的

47、光，就會形成與白熾燈相接近的光（燈泡色LED）。另外，利用近紫外LED芯片的白色LED，其發光光譜更容易接近自然光。藍色LED指藍色發光二極管。發光波長的中心為470nm前后。用于照明器具和指示器等藍色顯示部分的光源、LED顯示屏的藍色光源以及液晶面板的背照燈光源等。與熒光體材料組合使用可得到白色光。目前的白色LED一般采用藍色LED與熒光材料相組合的構造。藍色LED得以廣泛應用的契機，是日亞化學工業于1993年12月在業內首次開發出了光強達1cd以上的品種。而在此之前，還沒有藍色純度較高且具有實用光強的LED。因此，采用LED的大尺寸顯示屏無法實現全彩顯示。藍色LED的材料使用氮化鎵（GaN

48、）類半導體。以前曾盛行用硒化鋅（ZnSe）類半導體開發藍色LED，但自從1993年12月采用GaN類半導體的高亮度藍色LED被開發出來后，藍色LED的主流就變成了采用GaN類半導體的產品。羅姆的藍色LED的發光情景。藍色LED的構造為，在藍寶石或者SiC底板等的表面上，重疊層積氮化鋁（AlN）半導體層和GaN類半導體層。在稱為活性層、發藍色光的部分設置了使p型GaN類半導體層和n型GaN類半導體層重疊的構造。pn結是制作高亮度LED所必須采用的構造。在使用GaN以外材料的紅色等LED中，pn結很早以前就是主流構造。而在1993年高亮度藍色LED面世之前，采用GaN類材料難以實現pn結。原因是制

49、成n型GaN類半導體層雖較為簡單，但p型GaN系半導體層的制作則較為困難。之后，通過對在p型GaN類半導體層和n型GaN類半導體層之間配置的GaN類半導體層采用多重量子阱構造，并進一步改善GaN類半導體層的質量，光強獲得了大幅提高。綠色LED發射綠光的二極管。發光中心波長在560nm左右。用于霓虹燈和指示器、LED顯示器的光源以及液晶面板的背照燈光源等。綠色LED與紅色LED及藍色LED相比，被認為尚有較大的改進余地。組合紅色LED、綠色LED和藍色LED構成LED顯示器或液晶面板的背照燈光源時，為了調制成亮度高且均衡的白色，考慮到人眼的視覺靈敏度，RGB三色LED光量的分配比例需為約3:6:

50、1或者約3:7:1。因綠色LED的亮度不足，因此必須使用多個綠色LED來提高輸出功率。綠色LED主要使用的GaN類半導體材料比用于藍色LED時的效率低，輸入相同的電力，光輸出功率較低。這種狀況開始出現改觀。日本國內外的大學和LED芯片廠商等已開始著手研究通過改變GaN結晶的成長面，來大幅提高效率。如果GaN類半導體的結晶面得以改變，有可能會將綠色LED的效率提高至目前的2倍以上。目前銷售的GaN類半導體綠色LED效率低下的原因主要在于壓電場。壓電場是指因結晶構造的應力而導致的壓電極化所產生的電場。市場上銷售的綠色LED多是以GaN結晶的極性面c面（0001）為成長面，以其法線方向（c軸）為成長

51、軸的層積GaN類半導體層等。通過改變成長軸來減弱壓電極化，以與GaN類結晶的c面垂直的稱為a面或m面的非極性面，或者相對于c面傾斜的半極性面為成長面，以每個面的法線方向為成長軸的綠色LED的研究非常活躍。紅色LED發射紅光的二極管。發光中心波長在620630nm左右。主要用于霓虹燈、指示器、汽車尾燈和信號機等中的紅色顯示部分的光源、LED顯示器的紅色光源以及液晶面板的背照燈光源等，應用范圍廣泛。目前，紅色LED的主流材料是AlInGaP化合物半導體。AlInGaP因使用Al，Ga，In和P這4種元素，所以稱為4元材料。在LED領域4元材料一般就是指AlInGaP。不僅僅是紅色，AlInGaP還

52、涵蓋了從紅色到黃色的波長范圍。進入20世紀90年代后AlInGaP的亮度迅速增加。這是由于以MOCVD法為代表的氣相外延成長技術取得進步，結晶的質量得以提高的結果。而在AlInGaP面世以前，GaAs類半導體為主流材料。采用的是液相外延成長技術。羅姆的紅色LED的發光情景紅色LED與藍色LED及綠色LED相比，驅動電壓和溫度特性有所不同。這是因為半導體材料不同，紅色LED采用AlInGaP，而藍色LED和綠色LED采用GaN類材料。驅動電壓（正向電壓）方面，紅色LED為2V以上，而藍色LED和綠色LED為3V以上。溫度特性方面，紅色LED的輸出功率會因溫度影響而發生較大的變化，高溫時輸出功率的

53、降低比綠色LED和藍色LED要明顯。因這些特征上的差異，液晶面板的背照燈和LED顯示器等組合使用紅色LED、藍色LED和綠色LED時就需要采取相應的措施。例如，利用色彩傳感器監測紅色LED的特性變化，還需要提高LED的散熱性能等。InGaN和AlInGaP在綠色波長帯的外部量子效率均大幅下降。紫外LED發射紫外光的二極管。一般指發光中心波長在400nm以下的LED，但有時將發光波長大于380nm時稱為近紫外LED，而短于300nm時稱為深紫外LED。因短波長光線的殺菌效果高，因此紫外LED常用于冰箱和家電等的殺菌及除臭等用途發射紫外光的二極管。一般指發光中心波長在400nm以下的LED，但有時將發光波長大于