- 中文名
- 发光二极管
- 外文名
- light-emitting diode
- 简 称
- LED
- 用 途
- 照明、广告灯、指引灯、屏幕
当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。
LED最初用于仪器仪表的指示性照明，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。后来发展出微型发光二极管(micro-LED)的新技术，其将原本发光二极管的尺寸大幅缩小，用可独立发光的红、蓝、绿微型发光二极管成阵列排列形成显示阵列用于显示技术领域。微型发光二极管具有自发光显示特性，比自发光显示的有机发光二极管(Organic Light Emitting DiodeOLED)效率高、寿命较长、材料不易受到环境影响而相对稳定。 [9]
2024年2月5日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所团队深挖机理、创新工艺，制备出一款高效稳定的钙钛矿发光二极管，相关论文发于国际学术期刊《自然·光子学》。 [12]
LED 极性发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
LED材料 | 材料化学式 | 颜色 |
AlGaAs GaAsP AlGaInP GaP:ZnO | 红色及红外线 | |
铝磷化镓 铟氮化镓/氮化镓 磷化镓 磷化铟镓铝 铝磷化镓 | InGaN/GaN GaP AlGaInP AlGaP | 绿色 |
磷化铝铟 镓砷化镓 磷化物 磷化铟镓铝 磷化镓 | GaAsPAlGaInP AlGaInP GaP | 高亮度的橘红色，橙色，黄色，绿色 |
磷砷化镓 | GaAsP | 红色，橘红色，黄色 |
磷化镓 硒化锌 铟氮化镓 碳化硅 | GaP ZnSe InGaN SiC | 红色，黄色，绿色 |
GaN | 绿色，翠绿色，蓝色 | |
铟氮化镓 | InGaN | 近紫外线，蓝绿色，蓝色 |
碳化硅(用作衬底) | SiC | 蓝色 |
硅(用作衬底) | Si | 蓝色 |
蓝宝石(用作衬底) | Al2O3 | 蓝色 |
ZnSe | 蓝色 | |
C | ||
氮化铝,氮化铝镓 | AlN AlGaN | 波长为远至近的紫外线 |
（一）节能是LED灯最突出的特点
在能耗方面，LED灯的能耗是白炽灯的十分之一，是节能灯的四分之一。这是LED灯的一个最大的特点。现在的人们都崇尚节能环保，也正是因为节能的这个特点，使得LED灯的应用范围十分广泛，使得LED灯十分的受欢迎。 [3]
（二）可以在高速开关状态工作
我们平时走在马路上，会发现每一个LED组成的屏幕或者画面都是变化莫测的。这说明LED灯是可以进行高速开关工作的。但是，对于我们平时使用的白炽灯，则达不到这样的工作状态。在平时生活的时候，如果开关的次数过多，将直接导 致白炽灯灯丝断裂。这个也是LED灯受欢迎的重要原因。 [3]
（三）环保
（四）响应速度快
LED灯还有一个突出的特点，就是反应的速度比较快。只要一接通电源，LED灯马上就会亮起来。对比我们平时使用的节能灯，其反应速度更快，在打开传统灯泡时，往往需要很长的时间才能照亮房间，在灯泡彻底的发热之后，才能亮起来。 [3]
（五）相较于其他的光源，LED灯更“干净”
有的虫子天性喜热，白炽灯和节能灯在使用一段时间之后都会产生热量，这个热量正好是虫子喜欢的，就容易吸引虫子过来。这无疑会对灯表面带来很多的污染物，而且，虫子的排泄物还会使得室内变得很脏。但是，LED灯是冷光源，不会吸引虫子过来的，这样，就不会产生虫子的排泄物。所以说，LED灯更加的 “干净”。 [3]
半导体发光二极管的应用范围广，功耗小，使用寿命长，低碳环保。我国半导体发光二极管的应用非常广泛，居民家庭中的很多照明设备都使用了半导体发光二极管，大部分路灯也使用了半导体发光二极管路灯作为照明光源，部分道路的照明灯具还结合了太阳能技术，可节省大量电能。感光二极管根据材质的不同，可以分成砷铝化镓感光二极管、磷砷化铝感光二极管、磷化镓感光二极管和砷化铝感光二极管等。 [8]
发光效率和光通量
发光强度和光强分布
LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度光强相差很多，随之而来我们研究了LED的光强分布特性。这个参数实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。比如体育场馆的LED大型彩色显示屏，如果选用的LED单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。
波长
对于LED的光谱特性我们主要看它的单色性是否优良，而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。因为在许多场合下，比如交通信号灯对颜色就要求比较严格，不过据观察我国的一些LED信号灯中绿色发蓝，红色的为深红，从这个现象来看我们对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且很有意义的。
普通单色发光二极管
蓝光发光二极管（LED）高亮度单色发光二极管
高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色发光二极管不同，所以发光的强度也不同。通常，高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs）等材料，超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料，而普通单色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（GaAsP）等材料。
变色发光二极管是能变换发光颜色的发光二极管。变色发光二极管发光颜色种类可分为双色发光二极管、三色发光二极管和多色（有红、蓝、绿、白四种颜色）发光二极管。
变色发光二极管按引脚数量可分为二端变色发光二极管、三端变色发光二极管、四端变色发光二极管和六端变色发光二极管。
闪烁发光二极管在使用时，无须外接其它元件，只要在其引脚两端加上适当的直流工作电压（5V）即可闪烁发光。
常用的红外发光二极管有SIR系列、SIM系列、PLT系列、GL系列、HIR系列和HG系列等。
基于半导体材料的紫外发光二极管(UV LED)具有节能、环保和寿命长等优点，在杀菌消毒、医疗和生化检测等领域有重大的应用价值。近年来，半导体紫外光电材料和器件在全球引起越来越多的关注，成为研发热点。 2018年12月9一12日，由中国科学院半导体研究所主办的第三届“国际紫外材料与器件研讨会” (IWUMD一2018)在云南昆明召开，来自十二个国家的270余位代表出席了会议。本次会议汇聚了国内外在紫外发光二极管材料和器件相关领域的多位顶尖专家的最新研发成果报告。 [4]
紫外发光二极管是氮化物技术发展和第三代半导体材料技术发展的主要趋势，拥有广阔的应用前景。中国科技部为了加快第三代半导体固态紫外光源的发展，争施了“第三代半导体固态紫外光源材料及器件关键技术”重点研发计划专项（2016YFB0400800）。国家重点研发计划的支持和国际紫外材料与器件研讨会的举办，将为加快实现我国第三代半导体紫外光源的市场化应用，带动我国紫外半导体发光二极管材料和器件技术创亲及产业化发展发挥积极的作用。 [4]
1987年，柯达公司邓青云等成功制备了低电压、高亮度的有机发光二极管（OLED），第一次向世界展示了OLED在商业上的应用前景‘“。1995年，Kido在science杂志上发表了白光有机发光二极管（wOLED）的文章， 虽然效率不高，但揭开了OLED照明研究的序幕。经过几十年的发展，OLED的效率和稳定性早已满足小尺寸显示器的要求，受到众多高端仪器仪表、手机和移动终端公司的青睐，大尺寸技术也日渐完善。 [5]
OLED材料的发展是OLED产业蓬勃发展的基础。最早的OLED发光材料是荧光材料，但荧光材料由于自旋阻禁，其理论内量子效率上限仅能达到25%。1998年，Ma以及Forrest和Thompson等先后报道了磷光材料在OLED材料中的应用，从而为突破自旋统计规律、100%地利用所有激子的能量开辟了道路。但是磷光材料也存在一定的问题，由于含有贵金属，价格很高而且蓝光材料的稳定性长期停滞不前。
2009年，日本九州大学的Adachi教授首次将热活化延迟荧光（TADF）材料引入OLED。此类材料具有极低的单三线态能隙，可通过三线态激子的反向系间窜越（RISC）实现100%的理论内 量子效率。材料体系和器件结构的日渐完善，使得OLED在显示领域崭露头角。另一方面，WOLED具有发光效率高、光谱可调、蓝光成分少和面光源等一系列优 势，作为低色温、无蓝害的高效光源，有望成为未来健康照明的新趋势。 [5]
晶片
晶片的构成：由金垫，P极，N极，PN结，背金层构成（双pad晶片无背金层）。晶片是由P层半导体元素，N层半导体元素靠电子移动而重新排列组合成的PN结合体。也正是这种变化使晶片能够处于一个相对稳定的状态。在晶片被一定的电压施加正向电极时，正向P区的空穴则会源源不断的游向N区，N区的电子则会相对于孔穴向P区运动。在电子，空穴相对移动的同时，电子空穴互相结对，激发出光子，产生光能。
支架
也叫白胶，乳白色，导通粘合作用（烘烤温度为：100°C/1.5H）银粉（导电，散热，固定晶片）+环氧树脂（固化银粉）+稀释剂（易于搅拌）。储藏条件：银胶的制造商一般将银胶以-40 °C 储藏，应用单位一般将银胶以-5 °C 储藏。单剂为25 °C/1年（干燥，通风的地方），混合剂25 °C/72小时（但在上线作业时因其他的因素“温湿度、通风的条件”，为保证产品的质量一般的混合剂使用时间为4小时）
烘烤条件：150 °C/1.5H
搅拌条件：顺一个方向均匀搅拌15分钟
金线（以φ1.0mil为例）
环氧树脂（以EP400为例）
组成：A、B两组剂份:
使用条件：
混合比：A/B=100/100（重量比）
混合粘度：500-700CPS/30 °C
胶化时间：120 °C*12分钟或110 °C*18分钟
可使用条件：室温25 °C约6小时。一般根据产线的生产需要，我们将它的使用条件定为2小时。
硬化条件：初期硬化110 °C—140 °C 25—40分钟
芯片检验
LED扩片
由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小（约0.1mm），不利于后工序的操作。采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，使LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。也可以采用手工扩张，但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。
LED点胶
工艺难点在于点胶量的控制，在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求，提醒：银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。
LED备胶
和点胶相反，备胶是用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。备胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用备胶工艺。
LED手工刺片
将扩张后LED芯片（备胶或未备胶）安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。手工刺片和自动装架相比有一个好处，便于随时更换不同的芯片，适用于需要安装多种芯片的产品。
LED自动装架
自动装架其实是结合了沾胶（点胶）和安装芯片两大步骤，先在LED支架上点上银胶（绝缘胶），然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上。自动装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程，同时对设备的沾胶及安装精度进行调整。在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴，防止对LED芯片表面的损伤，特别是蓝、绿色芯片必须用胶木的。因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。
LED烧结
LED压焊
压焊的目的是将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。
LED封胶
LED点胶 TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。手动点胶封装对操作水平要求很高（特别是白光LED），主要难点是对点胶量的控制，因为环氧在使用过程中会变稠。白光LED的点胶还存在荧光粉沉淀导致出光色差的问题。
LED固化与后固化
固化是指封装环氧的固化，一般环氧固化条件在135℃，1小时。模压封装一般在150℃，4分钟。后固化是为了让环氧充分固化，同时对LED进行热老化。后固化对于提高环氧与支架（PCB）的粘接强度非常重要。一般条件为120℃，4小时。
LED切筋和划片
LED测试
20世纪90年代LED技术的长足进步,不仅是发光效率超过了白炽灯，光强达到了烛光级，而且颜色也从红色到蓝色覆盖了整个可见光谱范围。这种从指示灯水平到超过通用光源水平的技术革命导致各种新的应用，诸如汽车信号灯、交通信号灯、室外全色大型显示屏以及特殊的照明光源。 [6]
随着发光二极管高亮度化和多色化的进展,应用领域也不断扩展.从下边较低光通量的指示灯到显示屏，再从室外显示屏到中等光通量功率信号灯和特殊照明的白光光源，最后发展到右上角的高光通量通用照明光源。2000年是时间的分界线，在2000年已解决所有颜色的信号显示问题和灯饰问题，并已开始低、中光通量的特殊照明应用，而作为通用照明的高光通量白光照明应用，似乎还有待时日，需将光通量进一步大幅度提高方能实现。当然，这也是个过程，会随亮度提高和价格下降而逐步实现。 [6]
自20世纪80年代中期，就有单色和多色显示屏问世，起初是文字屏或动画屏。90年代初，电子计算机技术和集成电路技术的发展，使得LED显示屏的视频技术得以实现，电视图像直接上屏，特别是90年代中期，蓝色和绿色超高亮度LED研制成功并迅速投产，使室外屏的应用大大扩展，面积在100—300m不等。
LED显示屏在体育场馆、广场、会场甚至街道、商场都已广泛应用，美国时代广场上的纳斯达克全彩屏最为闻名，该屏面积为120英尺×90英尺，相当于1005m，由1900万只超高亮蓝、绿、红色LED制成。此外，在证券行情屏、银行汇率屏、利率屏等方面应用也占较大比例，近期在高速公路、高架道路的信息屏方面也有较大的发展。发光二极管在这一领域的应用已成规模，形成新兴产业，且可期望有较稳定的增长。 [6]
航标灯采用LED作光源已有多年，目前的工作是改进和完善。道路交通信号灯近几年来取得了长足的进步，技术发展较快，应用发展迅猛，中国每年有四万套左右的订单，而美国加州在一年内就用LED交通信号灯更换了五万套传统光源的信号灯，根据使用效果看，寿命长、省电和免维护效果是明显的。采用LED的发光峰值波长是红色630nm，黄色590nm，绿色505nm。应该注意的问题是驱动电流不应过大，否则夏天阳光下的高温条件将会影响LED的寿命。 [6]
最近，应用于飞机场作为标灯、投光灯和全向灯的LED机场专用信号灯也已获成功并投入使用，多方反映效果很好。它具有自主知识产权，获准两项专利，可靠性好、节省用电、免维护、可推广应用到各种机场、替代已沿用几十年的旧信号灯，不仅亮度高，而且由于LED光色纯度好，特别鲜明，易于信号识别。 [6]
超高亮LED可以做成汽车的刹车灯、尾灯和方向灯，也可用于仪表照明和车内照明，它在耐震动、省电及长寿命方面比白炽灯有明显的优势。用作刹车灯，它的响应时间为60ns，比白炽灯的140ms要短许多，在典型的高速公路上行驶，会增加4—6m的安全距离。 [6]
LED作为液晶显示的背光源，它不仅可作为绿色、红色、蓝色、白色，还可以作为变色背光源，已有许多产品进入生产及应用阶段。最近，手机上液晶显示屏用LED制作背光源，提升了产品的档次，效果很好。采用8个蓝色、24个绿色、32个红色LuxeonLED制成的15英寸（1英寸≈2.5厘米）液晶屏的背光源，可达到120W，2500 lm，亮度18000nits（尼特，cd/m²）。22液晶屏背光源也已制成，仅为6mm厚，不但混色效果好，显色指数也达到80以上。大型背光源虽处于开发阶段，但潜力很大。 [6]
由于发光二极管亮度的提高和价格的下降，再加上长寿命、节电，驱动和控制较霓虹灯简易，不仅能闪烁，还能变色，所以用超高亮度LED做成的单色、多色乃至变色的发光柱配以其他形状的各色发光单元，装饰高大建筑物、桥梁、街道及广场等景观工程效果很好，呈现一派色彩缤纷、星光闪烁及流光异彩的景象。已有不少单位生产LED光柱达万米以上，彩灯几万个，正逐步推广，估计会逐步扩大单独形成一种产业。 [6]
作为照明光源的LED光源应是白光，作为军用的白光LED照明灯具，已有一些品种投入批量生产。由于LED光源无红外辐射，便于隐蔽，再加上它还具有耐振动、适合于蓄电池供电、结构固体化及携带方便等优点，将在特殊照明光源方面会有较大发展。作为民间使用的草坪灯、埋地灯已有规模生产，也有用作显微镜视场照明、手电、外科医生的头灯、博物馆或画展的照明以及阅读台灯。 [6]
光是植物生长和发育最重要的环境因素之一， 对植物的生长发育、形态建成、光合作用、物质代谢及基因表达均有调控作用，因此温室补光是实现植物优质高产的重要途径。近年来，发光二极管在植物工厂中的应用越来越广泛，LED光源的波宽窄、能耗低、体积小、效率高、耐衰老、热耗低的优点，使其成为了众多光质研究人员使用的新光源。为止，大量应用LED光源研究光环境对植物宏观的形态、产量、品质的影响，以及对细胞显微结构、植物分化、次生代谢物质的影响的研究层出不穷。 [7]
在半导体照明装置中，通常采用高功率高亮度的发光二极管（LED）作为光源，当在发光二极管中通以电流时，电 子与空穴会直接复合，从而释放能量发光，其具有功耗小、使用寿命长等优点，在照明领域应用广泛。然而，目前的光电转换效率较低，有很大比重转化为热能，故LED芯片上的功率密度很大。大的功率密度对器件的散热也提出了高的要求，发光二极管中封装件散热问题已成为影响其产业化发展的重大问题。 [1]
LED 的散热机构一般有这几种形式：
2．加装风扇强制散热。
3．在封装件中设置流通液体散热。
热管散热利用物质相变的原理，具有可吸收或散发高热能的特性，这使得热管成为具备极高的热传导效率的设备， 热管冷却主要是利用工作流体在真空中的蒸发与冷凝来传递热量，当热管的一端受热时，毛细芯中的工作液体蒸发汽化，蒸汽在压差之下流向另一端放出热量并凝结成液体，液体再沿多孔材料依靠毛细管作用流回蒸发端，热量得以沿热管迅速传递。 [1]
传统无机LED技术相对成熟且发光效率高，在照明领域应用广泛，但外延生长等制备工艺限制了其难用于大面积和柔性器件制备。有机或量子点LED具有易于大面积成膜、可柔性化等优势，但是高亮度下的低效率和短寿命问题还亟待解决。金属卤化物钙钛矿型材料兼具无机和有机材料的诸多优点”。如可溶液法大面积制备、带隙可调、载流子迁移率高、荧光效率高等。因此，基于钙钛矿材料的LED相较于传统发光二极管具有诸多优势，尤其是可低成本、大面积制备高亮度、高效率发光器件，对显示与照明均具有重要意义。 [2]
钙钛矿发光二极管发展迅速，自2014年剑桥大学报道首篇外量子效率（EQE）为0.76%的三维钙钛矿发光器 件以来，经过短短五年的发展，近红外、红光和绿光钙钛矿发光器件的外量子效率均已突破20%。值得一提的是中国科学家在钙钛矿发光领域里的多个方向开创了全新的研究方法。
2015年，南京工业大学与浙江大学团队合作报道了外量子效率为3.5%的钙钛矿发光二极管，为当时的最高纪录，也是国内在此领域的首篇论文。随后，北京理工大学和南京理工大学相继报道了基于量子点的钙钛矿LED。2016年，南京工业大学采用具有多量子阱结构的钙钛矿实现了外量子效率突破10%的近红外钙钛矿LED， 相关成果于2016年发表于《Nature Photonics》。采用类似方法，中国科学院半导体研究所将绿光钙钛矿LED的外量子效率提高到14.36%。2018年，南京工业大学首次将近红外钙钛矿LED外量子效率提升至20.7%，性能媲美已产 业化的有机和量子LED。同年，华侨大学”州将绿光钙钛矿LED的EQE提升至20.3%。
这两项国内成果被《Nature》 邀请的领域专家评述为“突破性成果”， “是钙钛矿材料在发光二极管中应用的里程碑式跨越”， “使钙钛矿LED技术突破性能障碍，将推动钙钛矿LED的产业化发展”。总体来说，目前中国在钙钛矿LED研究方面处于世界领先地位，特别是在高亮度、高稳定性钙钛矿发光器件方面，已经取得具有自主知识产权。有世界影响力的创新成果。 [2]
尽管钙钛矿LED的研究已经取得了很大的进展，但其发展仍然面临着诸多挑战。首先，钙钛矿LED的稳定性问题需要解决。目前通过材料设计、器件结构及界面优化等方法已大大提升了钙钛矿LED的稳定性，但尚未达到产业化的要求。其次，钙钛矿材料中铅元素的毒性可能是其产业化道路上的一个障碍。研究发现许多元素（如锡、铜、 锗及银等）在钙钛矿材料中可以替代铅元素，但目前利用这些元素制备的器件性能还不及铅基钙钛矿LED。此外， 大面积模块化制备钙钛矿LED仍处于萌芽期，如何发展制备工艺来进行可控大面积生产还需要解决。
总之，钙钛矿发光材料与器件具有诱人的发展前景， 未来随着对材料理解的深入及工艺技术的进步，有望进一 步提高器件的效率和稳定性，推进其产业化进程。在不远的将来，钙钛矿LED将会以其优异的性能和低廉的成本成为新一代显示与照明的有力竞争者，在未来照明与显示产业中占有重要地位。 [2]
发光二极管和其他形式的照明正以“惊人的速度照亮夜空”。德国地球科学中心的克里斯托弗·基巴的研究表明，光污染正导致夜空以每年约10%的速度变亮。 [11]
