白光LED及其应用详解正逐步渗透到各细分市场

时间:2022-01-05 00:43

本文摘要:发光二极管(LEDs)的最新进展使得灯光行业快速增长。目前,固态灯光技术逐步渗透到有所不同细分市场,如汽车灯光、室内及室外灯光、医疗应用于、以及生活用品。 美国能源部近期报告认为,至2020年,该技术未来将会增加灯光行业15%的能源消耗,2030年节约30%即光2030年就能节约261TWh(太瓦时)的能量,以当前的价格计算出来其价值多达260亿美元,相等于美国两千四百万家庭目前的能源消费总和。此外,这些节约的能量用作混合发电厂将增加大约一千八百万吨CO2温室气体的废气。

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发光二极管(LEDs)的最新进展使得灯光行业快速增长。目前,固态灯光技术逐步渗透到有所不同细分市场,如汽车灯光、室内及室外灯光、医疗应用于、以及生活用品。

  美国能源部近期报告认为,至2020年,该技术未来将会增加灯光行业15%的能源消耗,2030年节约30%即光2030年就能节约261TWh(太瓦时)的能量,以当前的价格计算出来其价值多达260亿美元,相等于美国两千四百万家庭目前的能源消费总和。此外,这些节约的能量用作混合发电厂将增加大约一千八百万吨CO2温室气体的废气。  虽然在很多情况下,这些设备的初始成本依然低于现有的光源设备,但是LEDs更高的效率以及更长的寿命使其具备很强的竞争力。StrategiesUnlimited估算2013年全球销售出有4亿只LED灯,McKinsey调查指出2016年LEDs在全球普通灯光市场的份额将超过45%,2020年将相似70%。

到2020年,该领域的市场容量预计将从目前的大约260亿美元提升到720亿美元。  LED装置是一个简单的多组分系统,可根据特定市场需求调整性能特征。

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以下章节将辩论白光LED及其他应用于。  LED的发展之路  无机材料中电致发光现象是LED闪烁的基础,HenryRound和OlegVladimirovichLosev于1907年和1927年分别报导LED闪烁现象电流通过使得碳化硅(SiC)晶体闪烁。这些结果引起了半导体及p-n结光电过程的更进一步理论研究。  20世纪50、60年代,科学家开始研究Ge、Si以及一系列III-V族半导体(如InGaP、GaAlAs)的电致发光性能。

RichardHaynes和WilliamShockley证明了p-n结中电子和空穴填充造成闪烁。随后,一系列半导体被研究,最后于1962年由NickHolonyak研发出有了第一个红光LED。不受其影响,1971年GeorgeCraford发明者了橙光LEDs,1972年又陆续发明者了黄光和绿光LEDs(皆由GaAsP构成)。

  反感的研究很快使得在长光谱范围内(从红外到黄色)闪烁的LEDs构建商业化,主要用作电话或控制面板的指示灯。实质上,这些LEDs的效率很低,电流密度受限,使得亮度很低,并不适合于普通灯光。  蓝光LEDs  高效的蓝光LEDs的研发花费了30年的时间,因为当时没可应用于的充足质量的宽带隙半导体。1989年,第一个基于SiC材料体系的蓝光LEDs商品化,但由于SiC是间接带上隙半导体,使得其效率很低。

20世纪50年代末就早已考虑到用于必要带上隙半导体GaN,1971年JacquesPankove展出了第一款升空绿光的GaN基LED。然而,制取高质量GaN单晶以及在这些材料中引进n-型和p-型掺入的技术依然尚待研发。  20世纪70年代发展的金属-有机物气相外延(MOVPE)等技术对于高效蓝光LEDs的发展具备里程碑意义。

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1974年,日本科学家IsamuAkasaki开始使用这种方法生长GaN晶体,并与HiroshiAman合作于1986年通过MOVPE方法首次制备了高质量的器件级GaN。  另一个主要挑战是p-型掺入GaN的高效率制备。实质上,MOVPE过程中,Mg和Zn原子可转入这种材料的晶体结构中,但往往与氢融合,从而构成违宪的p-型掺入。

Amano、Akasaki及其合作者仔细观察到Zn掺入的GaN在扫瞄电子显微镜仔细观察过后不会升空更好的光。  某种程度的方式,他们证明了电子束电磁辐射对Mg原子的掺入性能起着有益的起到。随后,ShujiNakamura明确提出在热热处理之后减少一个非常简单的后沉积步骤,分解成Mg和Zn的简单体,该方法可只能构建GaN及其三元合金(InGaN、AlGaN)的p-型掺入。

  应当认为的是,这些三元体系的能带可通过Al和In的成分展开调节,使得蓝光LEDs的设计减少了一个维度,对于提升其效率具备最重要的意义。事实上,目前这些器件的活性层一般来说由一系列交错的窄带隙InGaN和GaN层以及宽带系由的p-型掺入AlGaN薄膜(作为载流子的p-末端约束)构成。

  1994年,Nakamura及其合作者基于n-型和p-型掺入AlGaN之间Zn掺入InGaN活性层的平面双异质结构设计,首次展出了具备2.7%外量子效率(EQE)的InGaN蓝光LED(框1列出出有了LEDs主要的性能指标定义)。  该LED结构示意图示于图1a。

这些结果对于如今应用于的LED基灯光技术而言是很关键的,也因此引起了灯光行业的革命。2014年底,诺贝尔物理学奖颁发Akasaki、Amano和Nakamura,表扬他们发明者用作灯光以及红光源节约能源的高效蓝光LED。


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