Současný stav průmyslu polovodičových luminiscenčních materiálů pro LED (část I)

Poté, co polovodičová technologie spustila mikroelektronickou revoluci, předznamenává novou průmyslovou revoluci – revoluci osvětlení, jejímž symbolem je postupné nahrazování žárovek a zářivek polovodičovými světelnými zdroji.

Tento článek představuje aplikaci, technologii a průmyslový stav polovodičových materiálů vyzařujících světlo pro LED, porovnává vývoj několika hlavních elektrických/optických konverzních materiálů a podpůrných substrátových materiálů a vysvětluje vývojový trend v průmyslu polovodičových materiálů vyzařujících světlo pro LED diody. .

 

Od doby, kdy koncem 60. let minulého století vyšla první dioda vyzařující červené světlo GaAsP (Light emitting diodes, zkráceně LED), se po téměř 40 letech tvrdé práce rychle rozvinul výzkum a průmysl polovodičových osvětlovacích materiálů. V 21. století bude LED hrát důležitou roli v oblasti displejů a osvětlení a průmysl polovodičových luminiscenčních materiálů také získá silnou podporu od vlád různých zemí.

Z pohledu průmyslového řetězce lze odvětví polovodičového osvětlení rozdělit na průmyslová odvětví upstream, midstream a downstream. Výroba polovodičových substrátových materiálů, epitaxních waferů a čipů pro LED je navazujícím průmyslem, balení LED je středním průmyslem a výroba polovodičových osvětlovacích zdrojů a lamp na bázi světelných diod je navazujícím průmyslem. Tento článek pojednává především o současném stavu a vyhlídkách rozvoje globálního dodavatelského průmyslu materiálů LED.

Politika vývoje průmyslu polovodičových luminiscenčních materiálů pro LED čipy ve světě

Japonsko začalo realizovat národní projekt „21st Century Light Project“ založený na vysoce účinných ultrafialových LED a fluorescenčních systémech v roce 1998 a v letech 2008 až 2015 utratilo 5 miliard jenů na implementaci osvětlení bílým světlem. Japonsko plánuje zvýšit světelnou účinnost LED na 120 lm/W do roku 2020 a do konce roku 2025 nahradit 50 % tradičního osvětlení bílým LED osvětlením.

Ministerstvo energetiky USA zřídilo „Národní výzkumný projekt v oblasti polovodičového osvětlení“ za účasti 13 národních klíčových laboratoří, společností a univerzit. V letech 2010 až 2020 plánuje utratit 500 milionů USD na vývoj polovodičového osvětlení.

 

Evropská unie pověřila 6 velkých společností a 2 univerzity provedením „Projektu Rainbow“ pro vícebarevné světelné zdroje, který byl zahájen v červenci 2010 a plánuje propagovat aplikaci LED s bílým světlem prostřednictvím grantů Evropského společenství.

 

Čínský průmysl LED se zrodil v 70. letech 20. století a začal brzy. První nezávisle vyvinutá světelná dioda byla jen o několik měsíců později než první světelná dioda na světě. Dne 3. července 2004 Ministerstvo vědy a technologie Číny oznámilo oficiální zahájení prvních 50 projektů „National Semiconductor Lighting Project“.

Podle plánu „National Semiconductor Lighting Project“ čínské polovodičové osvětlení postupně nahradí žárovky od roku 2007 a zářivky po roce 2012. V současnosti existuje více než 400 velkých výrobců polovodičových světelných diodových zařízení a osvětlovacích systémů v Číně s roční produkcí asi 20 miliard kusů.

V oblasti technologie polovodičového osvětlení není propast mezi Čínou a mezinárodní vyspělou úrovní velká, ale v industrializaci existuje velká mezera. Za tímto účelem Čína zahájila výstavbu národních základen pro industrializaci polovodičového osvětlení v pěti městech: Dalian, Šanghaj, Nanchang, Xiamen a Shenzhen. V současné době mezi pěti průmyslovými základnami Nanchang vytvořil relativně kompletní průmyslový řetězec od polovodičových luminiscenčních materiálů, čipů, zařízení až po aplikační produkty. V roce 2013 byly její tržby z průmyslového prodeje téměř 8 miliard juanů. Jeho předřazené epitaxní materiály, střední výroba čipů a následné balení zařízení atd. dosáhly výroby ve velkém měřítku.

Pole aplikace

Vzhledem k výhodám LED se používá hlavně v následujících aspektech:

(1) Displej a světelný zdroj zobrazení dopravních signálů. LED světla se vyznačují odolností proti nárazům, rychlou odezvou světla, úsporou energie a dlouhou životností. Jsou široce používány v různých vnitřních a venkovních displejích. Dělí se na plnobarevné, tříbarevné a jednobarevné displeje. V celé zemi existuje více než 100 jednotek. Pro vývoj a výrobu. Na semaforech se používají hlavně super jasné červené, zelené a žluté LED. Vzhledem k tomu, že použití LED signálních světel je energeticky úsporné a spolehlivé, jsou dopravní signální světla postupně celostátně aktualizována. Současně s rozvojem projektů městského osvětlení hrají LED diody také důležitou roli v krajinných světlech a výzdobě městské noční krajiny.

 

(2) Automobilový průmysl. Automobilové LED diody zahrnují palubní desky, audio indikátory, podsvícení spínačů, světla na čtení a externí brzdová světla, koncová světla, boční světla a světlomety. V roce 1987 moje země začala instalovat vysokopolohová brzdová světla na auta. Díky vysoké rychlosti odezvy LED může být řidič připomenut, aby brzdil včas, čímž se sníží počet nárazů zezadu. Ve vyspělých zemích se centrální zadní vysokopolohová brzdová světla z LED stala standardní součástí automobilů. Moduly LED automobilových zadních světel, které společnost HP uvedla na trh v roce 1996, lze libovolně kombinovat do různých automobilových zadních světel. Kromě toho lze světelný zdroj v palubní desce automobilu a další různé části osvětlení použít jako svítidla s ultra vysokým jasem, takže se postupně přijímají LED displeje.

(3) LED podsvícení. Nejpoutavější je vysoce účinné podsvícení s bočním vyzařováním. Jako zdroj podsvícení obrazovky z tekutých krystalů (LCD) má LED dioda vlastnosti dlouhé životnosti, vysoké světelné účinnosti, žádného rušení a vysoké ceny. Byl široce používán v elektronických hodinkách, mobilních telefonech, elektronických kalkulačkách a kreditních kartách. LED je klíčovou součástí mobilních telefonů. Běžný mobilní telefon nebo mobilní telefon PHS potřebuje asi 10 LED zařízení, zatímco barevný displej a mobilní telefon s funkcí fotoaparátu potřebuje asi 20 LED zařízení. V této fázi je spotřeba podsvícení mobilních telefonů velmi velká a ročně se spotřebuje 3,5 miliardy LED čipů.

 

(4) Světelný zdroj. V současnosti je málo firem, které umí vyrábět světelné zdroje. Vedoucími společnostmi jsou japonská Nichia (NICHIA), Spojené státy americké (CREE) a evropský OSRAM (OSRAM). Tito významní výrobci si svými původními patenty monopolizovali všechny současné špičkové technologie bílých LED a jejich produkty zabírají drtivou většinu trhu. Nichia je přední světová společnost zabývající se výzkumem a výrobou LED diod. Již více než deset let její výzkumná a vývojová úroveň založená na GaN vede další společnosti po dobu 2 až 3 let.

Polovodičový luminiscenční materiál

1.Princip vyzařování světla LED čipem.

LED je součást, která přeměňuje elektrickou energii na světelnou energii. Jeho hlavní součástí je pn přechod vyrobený z polovodičového materiálu, což je elektrické injekční zařízení vyzařující světlo v pevné fázi. Základním principem je, že po aplikaci kladného předpětí na pn přechod se injektované menšinové nosiče rekombinují s majoritními nosiči a zároveň se přebytečná energie uvolňuje ve formě fotonů, čímž se elektrická energie přeměňuje na světelnou energii. Když je na pn přechod přivedeno zpětné napětí, menšinové nosiče nejsou injektovány, takže není emitováno žádné světlo. Podstata jeho luminiscence spočívá v tom, že elektron při přechodu z vysokoúrovňového excitovaného stavu (E2) do nízkoúrovňového základního stavu (E1) emituje fotony s energií (E2-E1), takže jeho emise světla je jediná vlnová délka světlo (infračervené nebo ultrafialové). Dva olověné rámečky přivádějí stejnosměrný proud, ve kterém je anodová tyč spojena s polovodičem typu p a katodová tyč je spojena s polovodičem typu n. Elektrony se rekombinují s otvory v polovodiči p-zóny, aby emitovaly fotony a uvolnily přebytečnou energii k vyzařování světla.

 

2. Podmínky polovodičových materiálů.

Prostřednictvím výzkumu principu vyzařování LED světla docházíme k závěru, že polovodičové materiály používané pro LED čipy musí splňovat následující podmínky:

 

(1) Šířka zakázaného pásu je vhodná. Když minoritní nosiče injektované pn  přechodem emitují světlo s většinovými nosiči, uvolněná energie fotonu je menší než šířka zakázaného pásu. Proto šířka zakázaného pásu krystalu musí být větší než energie fotonu požadované emisní vlnové délky.

 

(2) Lze získat krystaly typu P a n s vysokou vodivostí. Aby bylo možné připravit vynikající pn přechody, existují dva typy krystalů typu p a n a vodivost těchto dvou krystalů by měla být vyšší.

 

(3) Získání vysoce kvalitních krystalů s dobrou integritou Neúplnost krystalů má velký vliv na jev luminiscence. Zde uvedené nedokonalosti se týkají nečistot a poruch mřížky, které mohou zkrátit životnost minoritních nosičů a snížit světelnou účinnost. Proto je získání vysoce kvalitních krystalů s dobrou integritou nezbytnou podmínkou pro výrobu vysoce účinných světelných diod [6].

 

(4) Přímá zakázané pásmo Materiály s přímým pásmovou mezerou se většinou používají v oblasti vyzařování světla a mají vyšší světelnou účinnost. Mobilita elektronů (děr) je vyšší než u materiálů s nepřímým zakázaným pásmem.

 

3. Výběr polovodičových materiálů.

V současnosti se pro přípravu světelných diod obecně používají polovodičové materiály III-V s širokými mezerami a jejich víceprvkové směsné krystaly, včetně: binárních sloučenin GaAs, GaP, GaN, InP, SiC a ternárních sloučenin GaAsP, AlGaAs, InGaN, AlGaN, InGaP, AIGaP a kvartérní sloučeniny InGaAIP, InGaAsP atd. V současnosti jsou studovány tři binární složené luminiscenční materiály ZnSe, GaN a ZnO, které představují tři hlavní výzkumné procesy polovodičových luminiscenčních materiálů.

 

(1) Selenid zinečnatý (ZnSe). Z hlediska charakteristiky energetického pásma materiálu byl ZnSe nejprve považován za lepší materiál pro přípravu modrozelených laserů. V posledních 40 letech je však v důsledku tradiční technologie „tepelného rovnovážného růstu“ obtížné účinně překonat vady řídících krystalových materiálů. Problémy, jako jsou nečistoty, vážně brzdily vývoj materiálů ZnSe. Přestože se nepřetržitá pracovní doba modrozelených polovodičových laserů na bázi ZnSe za poslední 4 až 5 let zvýšila ze sekund na 400 hodin a pracovní napětí se také snížilo z přibližně 20 V na současných 3,7 V, značný pokrok a rozvoj. Jak však získat doping typu p s vysokou koncentrací světlého prostoru, dosáhnout dobrého nízkoodporového ohmického kontaktu, prodloužit životnost zařízení a učinit jej praktickým, zbývá ještě mnoho témat ke studiu.

(2) Nitrid galia (GaN). Ve srovnání s první a druhou generací elektronických materiálů mají polovodičové materiály třetí generace se širokým pásmovým odstupem širší energetickou mezeru, vyšší rychlost nasycených elektronů, větší průrazné napětí, menší dielektrickou konstantu a lepší tepelnou vodivost. Funkce. U GaN jsou jeho chemické vlastnosti stabilní, odolnost vůči vysokým teplotám a odolnost proti korozi. Je velmi vhodný pro výrobu integrovaných elektronických zařízení odolných vůči záření, vysoké frekvence, vysokého výkonu a vysoké hustoty, stejně jako modrých, zelených a ultrafialových optoelektronických zařízení. Všechny tyto vynikající vlastnosti vynahradily přirozené nedostatky prvních dvou generací polovodičových materiálů. Materiály GaN jsou proto v posledních 10 letech středem zájmu lidí. Vzestup nitridu galia jako polovodičového materiálu třetí generace je poznamenán úspěšným vývojem vysoce svítivých diod vyzařujících modré světlo a modrých laserů. Technologie růstu a proces výroby zařízení GaN neudělaly až do posledních let zásadní pokrok a průlomy v komerčních aplikacích a GaN v současnosti představuje převážnou většinu trhu LED. Pro materiály GaN existuje mnoho metod růstu. Protože proces výroby monokrystalu ještě nebyl vyřešen, je v současnosti populární heteroepitaxní růst na substrátu. V současnosti se GaN obecně pěstuje na Si, GaAs, safíru, SiC nebo jiných substrátových materiálech.

 

(3) Oxid zinečnatý (ZnO) Oxid zinečnatý (ZnO) je alternativní materiál, o kterém se v posledních letech uvažovalo, že nahradí GaN. Jedná se o polovodičový materiál s přímou mezerou v pásmu s velkou vazebnou energií excitonu (60 meV), mnohem větší než GaN (26 meV), jeho šířka pásma je 3,37 eV a má hexagonální wurtzitovou strukturu. Tyto výhody činí ZnO vynikajícím materiálem pro krátkovlnná optoelektronická zařízení. ZnO je podobný GaN, pokud jde o mřížkovou strukturu, parametry základní buňky a zakázané pásmo, a má vyšší bod tání a větší vazebnou energii excitonu než GaN, takže je snadné dosáhnout vysoké účinnosti při pokojové teplotě nebo vyšší laserové emise. ZnO je považován za novou generaci polovodičových optoelektronických materiálů. Může být použit nejen jako náhrada za GaN, ale také může otevřít mnoho nových aplikačních oblastí a má velmi široké uplatnění.