氮化物基白光LED专利技术分析

氮化物基白光LED专利技术分析

摘要 发光二极管（LED）作为新一代光源，具有体积小、电压低、使用寿命长、亮度高、发热量低和环保等多个优点，是现代光电子器件发展的重要产物。其中，白光LED的发明及应用是LED照明的一个里程碑，本文针对氮化物基白光LED进行了专利技术分析，并梳理了日亚化学的技术路线，最后对氮化物基白光LED的未来发展方向进行了预测。

关键词 LED 白光；氮化物；专利

前言

从爱迪生发明白炽灯到20世纪荧光灯的普遍应用，电光源已成为人们生产生活中不可缺少的照明工具。白炽灯的使用带来了一系列能源和环保等方面的问题，例如目前白炽灯的发光效率仅为151m/W左右，电光转换效率只有10%左右，造成能源的浪费。荧光灯发明使得电光源的发光效率得到有效提高。但是，由于荧光灯中荧光粉转换效率的限制，荧光灯的发光效率基本已经达到饱和，并且荧光灯还存在汞环境污染、寿命较短以及显色指数相对较低等问题。发光二极管（LED）作为新一代光源，具有体积小、电压低、使用寿命长、亮度高、发热量低和环保等多个优点，是现代光电子器件发展的重要产物。随着氮化物基白光LED的发明，LED照明也逐渐走入千家万户。

1 专利分布

针对氮化物基白光LED，对全球范围的专利申请进行了检索。以下就采集到的2492件专利申请从申请量年度分布、首次申请国家/地区分布角度进行统计分析。

1.1 申请量年度分布

图1为每年氮化物基白光LED相关专利申请量的变化曲线图。在1990-1994年为氮化物基白光LED技术的萌芽期，日亚化学的有关高亮度蓝光的LED技术在这个阶段申请了专利。1994-2002年为发展期，由于日亚化学掌握了蓝光LED的基础专利，对其他企业形成了技术封锁，因此，这个阶段内相关专利主要为日亚化学提出的专利申请。2002年后，各大公司均在蓝光LED芯片实现了突破，使得白光LED申请量爆发式增长，至2005年达到顶峰。2005年后，由于核心技术的研究日趋完善，关键技术已经成熟，业界的关注点转向封装、电极等外围结构，申请量也呈下降趋势。2011年，可能是由于新的荧光材料硅酸盐基荧光物质的研究和应用，导致申请量再次增多，但是并没有为氮化物基白光LED领域带来新的长久增长，申请量依旧呈下降趋势。

1.2 氮化物基白光LED相关专利首次申请国家/地区分布

申请量最多的国家为美国，占比29%。中国、日本、韩国分列二至四位，申请量占比分别为22%、19%、18%。氮化物基白光LED领域的创新主体主要集中在上述地区，如美国的科瑞公司，日本的日亚化学、丰田合成，以及韩国的三星、首尔半导体等。中国今年来对半导体照明领域的关注逐渐升温，国内厂商如三安光电、晶能光电、华灿光电等经过多年的技术积累，具备了很强的技术实力，并且随着知识产权意识的不断提高，国内的申请量近几年增长迅速，使得我國的申请量仅次于美国[1]。

2 日亚化学株式会社（NICHIA）技术发展路线

日亚化学成立于1956年12月，成立之初的30多年里，其主要产品为CRT和荧光灯用的荧光粉材料，具有一定的自主开发能力，为后期在荧光粉核心技术的突破奠定了坚实的基础。

1988-1992年，日亚化学的中村修二在美国留学期间，掌握了GaN生长的关键技术（专利JP8984091），在实验中成功地制造出P型GaN，并将其成功地商业化。基于P型GaN的良好结晶成膜技术，加上一定的技术积累（专利JP11691291、JP3423492），中村修二于1993年开创性地发明了世界首个高亮度蓝光LED，并成功实现量产，借此日亚化学也成为全球闻名的LED芯片生产厂商。

1994-2000年，在高亮度蓝光LED的基础上，为实现高发光效率和高输出，日亚化学发明了双异质结发光器件和量子阱有源层结构（专利JP11454293、CN95117565.3）。通过对有源层结构及材料的改进，使得理论上氮化物半导体可以发射任意可见光波长的光。基于此，日亚化学还于1995年开发出世界首个高亮度纯绿色LED，1997年开发出世界首个紫外发光LED，1998年成功开发出世界首个黄色LED。

在自己的老本行“荧光粉”方面，日亚化学于1996年获得了突破性的进展，开发了钇铝石榴石（YAG）荧光粉材料。基于蓝光LED芯片和黄光YAG荧光粉的组合，成功开发出白光LED，例如专利CN3154935.9，其同族专利申请高达109件。YAG荧光粉材料至今在全球市场上仍占据重要地位。

在2001年之后，LED技术在照明领域已经基本趋于成熟，各大公司开始向利润更丰厚、竞争少的大功率LED发展，日亚化学也不例外，研发了一批能够提高器件的可靠性、发光效率的技术（专利CN02800161.3、CN03801898.5、CN200410062392.0）。在该阶段，为了改善光的色温色调等，日亚化学对荧光粉材料做了进一步的改进，发明了氮化物、氧氮化物荧光体等（专利JP2002167166）。从2004年开始，日亚化学在铝酸盐、硅酸盐化合物方面投入了很大精力，并对此申请了一系列的专利（专利JP2004188463）。可以说，日亚化学不仅在芯片结构、荧光粉材料领域占据统治地位，其在照明装置的结构、封装技术等方面也是颇多建树，具有一整套完整的产业链。

3 未来发展趋势

目前，基于氮化物基白光LED的关键技术已经日趋完善，在发光层材料、外延结构等核心技术方面已经成熟。未来主要发展方向多为提高可靠性、提高光效、降低成本等。目前研究热点有以下三点：

3.1 硅衬底技术

相比蓝宝石和碳化硅衬底，硅衬底具有低成本、大尺寸、可导电等诸多优点。但是利用硅衬底外延生长氮化镓时，存在着一定问题，如硅衬底和GaN之间存在较大的晶格失配及热失配，导致外延层容易产生裂纹和弯曲；金属镓对硅衬底的回熔腐蚀，导致外延生长控制条件苛刻。

3.2 新荧光材料研究

目前，由蓝光LED加YAG荧光粉的白光LED正向着由紫外光LED加荧光粉的白光LED发展，以紫外光LED为芯片的白光LED具有无背景光色、出光光谱宽等优点。但是，存在荧光粉配比设计复杂，出光二次吸收问题。基于新荧光材料的研究，以期实现紫外光LED芯片的白光LED具有生产工艺简化，成本降低的目的。

3.3 大功率白光LED封装技术

随着消费者对光源的质量、光效、显色指数等性能需求的提高，同时也是为了扩大半导体光源的应用范围，大功率白光LED封装中的散热、荧光粉及封装胶体老化问题将成为大功率白光LED技术中亟待解决的问题。

参考文献

[1] 刘天明，林纪良，孙少峰，等.高显色性白光LED光源研制的探讨[J].中国照明电器，2016，（4）：1-4.