LED基礎知識之常見LED介紹

　　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）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。

　　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）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3:6:1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620～630nm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A lInGaP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，以及與熒光體組合發出可視光的LED等用途。例如將紅色、綠色和藍色熒光體與紫外LED組合，可獲得白色LED。

　　紫外LED主要采用GaN類半導體。產品方面，日亞化學工業上市了發光中心波長從365nm～385nm不等的品種，Nitride Semiconductor上市了發光中心波長為355nm～375nm不等的品種。

 
日亞化學工業2002年發布的紫外LED
LED芯片的尺寸為1mm×1mm，為普通LED的10倍，而且收納于具有金屬封裝內。

　　波長不足300nm的深紫外LED的開發活動也很活躍。2008年理化學研究所和松下電工曾公布，采用GaN類半導體的InAlGaN開發出了發光中心波長為282nm，光輸出功率為10mW的深紫外LED。波長更短的深紫外LED方面，NTT物性科學基礎研究所采用AlN材料開發出了發光中心波長為210nm的深紫外LED。

　　紅外LED

　　發射紅外光線的二極管。一般指發光中心波長超過700nm的LED。多用作遙控器和紅外線通信的光源、測距傳感器光源、光電耦合器光源以及打印機機頭的光源等。紅外LED使用AlGaAsP等GaAs類半導體材料。

　　紅外LED的正向電壓約為1.5V。與紅色LED的2V以上和藍色LED的3V以上相比要低。

　　紅外LED的歷史悠久。1962年就發現了利用以GaAs為代表的III-Ⅴ族化合物半導體的pn結可放射出相當于紅外光的電磁波的現象。