【文章內容簡介】 集中在磷光體的使用上(交叉約定簽訂之前，Nichia上訴Osram公司侵權使用一份日本專利而遭到拒絕，拒絕理由就是Osram并沒有使用石榴石磷光體)。因此，之后的專利就開始擴展保護范圍，以至于保護的內容越來越廣但同時也越來越不清晰。2005年以來，半導體照明產品開發(fā)和應用范圍不斷擴大，更多公司擁有了相關專利，特別是隨著半導體照明應用產品種類和生產廠商越來越多、市場規(guī)模急劇擴大，專利關系也越來越復雜。在這種形勢下，怎樣保證一個公司的產品不會侵犯其他公司的專利權就是一個迫切需要解決的問題。從法律角度來看，單純聽信賣家的承諾顯然不夠，極有可能要冒侵權的風險；聘請專利律師進行調查可以解決這個問題，但要花費大量的時間和資金，并不是每個企業(yè)都有能力采用。2006年5月美國固態(tài)照明公司Intematix及BridgeLux提出了一個解決方法：組成知識產權安全照明業(yè)聯(lián)盟(IPSLA)。IPSLA為半導體照明的零配件供應商提供了一個網絡平臺，聯(lián)盟成員的產品及工藝都經由資格專利律師檢查證明其在任何方面都不侵權，以保證成員之間購買的零配件不會有違權行為。預計此類的知識產權聯(lián)盟會在全球范圍內得到發(fā)展，以保證半導體照明穩(wěn)步發(fā)展成為一個成熟的行業(yè)，并促進其在各個相關領域的應用。相信全球白光LED的市場與生產結構，將會從2010年出現重大改變，因為從1990年開始所提出的LED相關專利，到2010年時預計20年的有效專利期限將逐漸到期，因此伴隨著產業(yè)專利結構被打破，緊接而來的是邁入混戰(zhàn)時期的高亮度LED產業(yè)。Nichia是在1996年首先將白光LED推向商業(yè)化，而白光LED的歷史可以說是十分復雜。美國巨大的市場一直是商家必爭之地，在美國，主要專利如下：貝爾實驗室將單個或多個磷光體用于熒光屏的發(fā)光，得到了美國專利(3691482)的保護，同時也建立起了光的波長轉換原理，該專利受理時間是1970年1月17日；Nichia于1991年11月25日為“熒 光粉使用在樹脂中并用來模塑成型”這一方法申請一項日本專利，該技術已于1993年6月18日公布，但是申請于1998年6月23日被拒絕，于1999年12月2日，Nichia收回此項申請；Cree擁有一項專利6600175所有權(該專利最初被授權給AMTI)，受理日期是1996年3月26日，授權日期是2003年7月29日。該專利聲稱保護一項“由單顆LED通過降頻變換的磷光體產生白光的設備”，并且該專利試圖保護所有與之相關的技術和工藝。但是該專利提到的僅僅是白光之外的光源對磷光體的激勵，似乎沒有涵蓋通常的藍光LED對黃色磷光體的激勵，Nichia在專利中提到了藍光LED對黃色磷光體的激勵，但是沒有對之進行論述，也沒有對基于石榴石的磷光體技術進行論述；Osram的專利6245259在美國專利受理是在2000年8月29日，授權日期是在2001年6月12日，但在此之前的1997年6月26日，其已經獲得國際專利的保護。從那時起，就開始存在專利重疊問題了。最初的專利說明了藍、綠和紫外線LED與摻鈰、鋱或硫代石榴石的磷光體，這一點在之前的Nichia白光LED和Nichia日本專利申請中都沒有提到。這項技術保護的重點似乎在磷光體尺寸規(guī)格上(尺寸要在5微米之下)。HP(Agilent)專利5847507受理日期是1997年7月14日，授權日期是1998年12月8日，該專利的描述涉及到已經存在的Nichia產品并且保護的重點是磷光體的發(fā)光原理(方式)，這就涵蓋了較大范圍的各種式樣的磷光體。在白光LED應用方面的第一個Nichia專利5998925在美國被授 權是在1999年12月7日，它的受理日期是1997年7月29日，它被整合到后來Nichia專利6069440和6614179中。此專利涉及到基于石榴石的GaN LED磷光體——描述了Nichia商業(yè)白光LED；Toyoda Gosei擁有專利6809347保護摻入銪的堿土正硅酸鹽磷光體和藍色或紫外線LED配合使用，此專利具有2000年12月28日的優(yōu)先權日期，授權時間是2004年10月26日，它把保護重點集中在一種特別的磷光體設計上，它不象其它專利一樣措詞含糊，它的保護內容清楚明朗?！坠怏w眾多專利的最大不同之處在于：磷光體的選擇，主要磷光體有下面一些：摻入鈰元素的釔鋁石榴石(YAG)，此種化合材料在460納悶米光波的照射下處于受激狀態(tài)，能發(fā)出寬范圍內的550納米的光波；Osram公司授權給少數生產商的鋱鋁石榴石(TAG)；硫化物構成的磷光體，如摻入銪元素的硫代鍶酸鹽，此種化合材料在460納悶米光波的照射下處于受激狀態(tài)，并能夠發(fā)出波長為550鈉米的綠光；或者摻入銪元素的鍶的硫化物，在該條件下能產生紅光；含硅酸鹽基的磷光體，該用法已被Toyoda Gosei和Tridonic還有Intematix申請專利保護；有機磷光體或者染料(粉)，熒光渲色是否包括了第一二項的做法，暫時還沒有資料明確說明；毫微粒子磷光體，是其它專利使用最多的方 法，但該方法(工藝)在以上幾條中均沒有提到。在可預見未來，專利仍將是LED產業(yè)發(fā)展關鍵議題，且專利訴訟的對象將不僅局限在LED廠商，范圍也將擴大至應用產品上。第三章、LED技術發(fā)展 LED發(fā)展歷程1907年Henry Joseph Round第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現象，由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實際應用，更難處在于碳化硅與電致發(fā)光不能很好的適應，研究被摒棄了。20世紀20年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard在德國使用從鋅硫化物與銅中提煉的的黃磷發(fā)光，再一次因發(fā)光暗淡而停止。1936年,George Destiau出版了一個關于硫化鋅粉末發(fā)射光的報告，隨著電流的應用和廣泛的認識，最終出現了“電致發(fā)光”這個術語。20世紀50年代，英國科學家在電致發(fā)光的實驗中使用半導體砷 化鎵發(fā)明了第一個具有現代意義的LED，并于60年代面世。第一個商用LED僅僅只能發(fā)出不可視的紅外光，但迅速應用于感應與光電領域。60年代初，在砷化鎵基體上使用磷化物發(fā)明了第一個可見的紅光LED，磷化鎵的改變使得LED更高效、發(fā)出的紅光更亮，甚至產生出橙色的光。當時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光(λp=650nm)，在驅動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明。到70年代中期，引入元素In和N，使LED產生綠光(λp=555nm)，黃光(λp=590nm)和橙光(λp=610nm)，光效也提高到1流明/瓦；就在此時，俄國科學家利用金剛砂制造出發(fā)出黃光的LED，盡管它不如歐洲的LED高效；但在70年代末，它能發(fā)出純綠色的光。80年代早期到中期對砷化鎵磷化鋁的使用使得第一代高亮度的LED的誕生，先是紅色，其LED的光效達到10流明/瓦接著就是黃色，最后為綠色。到20世紀90年代早期，采用銦鋁磷化鎵生產出了桔紅、橙、黃和綠光的LED。在很長的一段時間內都無法提供發(fā)射藍光的LED，設計工程師僅能采用已有的色彩：紅色、綠色和黃色，早期的“藍光” 器件并不是真正的藍光LED，而是包圍有藍色散射材料的白熾燈。第一個有歷史意義的藍光LED也出現在90年代早期(日亞公司1993宣布，中村修二博士發(fā)明)，再一次利用金鋼砂—早期的半導體光源的障礙物。依當今的技術標準去衡量，它與俄國以前的黃光LED一樣光源暗淡。90年代中期，出現了超亮度的氮化鎵LED，當前制造藍光LED的晶體外延材料是氮化銦鎵(InGaN)，發(fā)射波長的范圍為450nm至470nm，氮化銦鎵LED可以產生五倍于氮化鎵LED的光強。超亮度藍光芯片是白光LED的核心，在這個發(fā)光芯片上抹上熒光磷，然后熒光磷通過吸收來自芯片上的藍色光源再轉化為白光，利用這種技術可制造出任何可見顏色的光，今天在LED市場上就能看到生產出來的新奇顏色，如淺綠色和粉紅色。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)(λp=615nm)的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域(λp=530nm)的光效可以達到50流明/瓦。近期開發(fā)的LED不僅能發(fā)射出純紫外光而且能發(fā)射出真實的“黑色”紫外光，LED發(fā)展史到底能走多遠還不得而知，也許某天就能開發(fā)出能發(fā)X射線的LED。然而，LED的發(fā)展不單純是它的顏色還有它的亮度，像計算機一樣，遵守摩爾定律的發(fā)展，即每隔18個月它的 亮度就會增加一倍，曾經暗淡的發(fā)光二極管現在真正預示著LED新時代的來臨。白光LED基本上有兩種方式，一種是多晶片型，一種是單晶片型。前者是將紅綠藍三種LED封裝在一起，同時使其發(fā)光而產生白光，后者是把藍光或者紫光、紫外光的LED作為光源，在配合使用熒光粉發(fā)出白光。前者的方式，必須將各種LED的特性組合起來，驅動電路比較復雜，后者單晶片型的話，LED只有1種，電路設計比較容易。單晶片型進一步分成兩類，一類是發(fā)光源使用藍光LED，以460nm波長的藍光晶粒涂上一層YAG螢光物質，利用藍光LED照射此一螢光物質以產生與藍光互補的555nm波長黃光，再利用透鏡原理將互補的黃光、藍光予以混合，便可得出所需的白光(日亞專利)，生產較容易，其效率較高，成本較低，目前大部分白光LED采用此方法；另一類是使用近紫外和紫外光，豐田合成(Toyoda Gosei)與東芝所共同開發(fā)的白光LED，是采用紫外光LED與螢光體組合的方式，與一般藍光LED與螢光體組合的方式做區(qū)隔。藍光LED與螢光體的組合方式，當照在紅色物體的時候，其紅色的色澤效果比較不理想，紫外光LED與螢光體組合可以彌補這個缺點，但是，其發(fā)光效率卻仍低于藍光LED與螢光體組合的方式，至于價格與產品壽命，兩者差距不大。在過去，只有藍光LED使用GaN做為基板材料，但是現在從綠光領域到近紫外光領用的LED，也都開始使用GaN化合物做為材料了。并且伴隨著白光LED應用的擴大，市場對其效能的期待也逐漸增加。從單純的角度來看，高效率的追求一直都是被市場與業(yè)者所期待的。但是另一方面，演色也將會是一個重要的性能指標，如果只是做為顯示用途的話，發(fā)光色為白色可能就已經足夠了，但是從照明的用途來說，為了達到更高效率，如何實現與自然光接近的顏色就顯得非常必要了。 LED發(fā)光效率影響因素LED的發(fā)光強度及發(fā)光效率的提高主要取決于采用的半導體材料及其工藝技術的發(fā)展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半導體材料)和GaAsP(三元素半導體材料)，1994年左右采用AlInGaP(四元素半導體材料)后，其發(fā)光強度及發(fā)光效率有很大的提高。另外，在工藝技術上采用在GaAs襯底上用AlInGaP材料生產的紅光、黃光LED及在SiC襯底上用InGaN材料生產的綠光、藍光LED，在發(fā)光強度及發(fā)光效率上有較大的改進。LED的發(fā)光強度與正向電流IF幾乎成線性關系，即增加正向電 流IF可增加發(fā)光強度。但LED有一個最大功耗PD值的限制，PD=VFIF(VF為正向壓降)，若過大地增加IF而使PD超過最大值時，LED會過熱而損壞。為了要提高發(fā)光強度，開發(fā)出中功率LED(一般為幾百mW)，其工作電流也提高到70mA。為進一步提高發(fā)光強度，業(yè)者開發(fā)出了大功率LED，其功率一般為1～10W(有一些還大于10W)，它的工作電流一般為350～700mA，有些可達1A以上。市場希望只需一顆就可達到相當亮度的LED，在這一方面的技術落在如何讓LED能夠支援更大的電流。通常30u㎡的LED最大可以驅動30mA的電流，但是這樣的結果遠遠無法滿足市場的期望，所以目標是需要將10倍以上的電流，導通到LED元件中。因此當LED的面積尺寸可以擴充到1m㎡時，那么緊接下來的工作便是如何讓電流值能夠達到350~500mA，因為驅動電壓是3V多，所以就可以有1W的電力能被流進1m㎡的晶片面積。而在發(fā)光演色的方面，雖然有這么大的功率輸入到GaN LED中，但是所投入電力的四分之三都無法轉換成光而形成熱量，因此LED就會出現過熱的現象，這也會直接影響到LED的演色結果。因為LED元件的基本特性是，如果溫度上升，發(fā)光效率就會下降以及造成演色性偏差，所以如何有效的釋放大量產生熱量的放熱技術成為了關鍵，因此將LED裝在熱傳導率大、熱容量大的材料上就成了相當重要的問題，目前大多是使用有價金屬或者陶瓷。在現有的發(fā)光效率下，如果需要一定程度高輝度，期望因為增加電流量來產生較大亮度的話，這就必須考量如何增加LED的面積來滿足所增加的電流，或者利用將數顆小型LED封裝在同一個模組之中，來實現封裝模組對電流量容許值的提高。在目前的發(fā)光效率下，熱效應也會成比例的上升，另外，大面積LED比小面積LED的電阻來得要高，使得大面積LED本身的效應也比較大，如果單純以現有LED為基礎來提高輝度的話，將會陷入一個因LED本身價格，和散熱材料的成本過高而產生的惡性循環(huán)之中，這和以低成本化為基礎的市場特性是背道而馳的，而且熱效應量的上升會引起封裝材料的熱劣化，對其使用壽命也有很大的影響。由于上述理由，為了擴大未來的白光LED市場，業(yè)者就必須提高LED的外部量子效率，如果實現了LED高外部量子效率來提高發(fā)光效率的話，所出現的連鎖反應就會下降，例如因為減少電流透過而使得熱效應比率降低，實現成本的下降和長壽命化。關于這一方面，目前因為透過局部制程的改變、使用不同的化合物半導體材料、各種白色發(fā)光方法的開發(fā)，以及新一代熒光粉的開發(fā)，已經使得LED的發(fā)光效率可以達到100lm/W。但現在使用白光LED的發(fā)光效率，除了一部分的制品之外，產業(yè)化的大多都在30~50lm/W左右。如果要代替節(jié)能燈就需要將亮度提升到80~100lm/W，如果要代替使用在汽車頭燈上的HID的話，就更需要提高到120lm/W以上的發(fā)光效率。就技術上，如 果藍光LED芯片的光輸出效率如果達到360mW，配合高階技術的封裝能力，獲得100lm/W的白光輸出并不困難，包括Cree、日亞等的業(yè)者在2006年已開發(fā)出高亮度的藍光LED芯片，緊接著之后的如何降低外部量子效率的損耗便是考驗者封裝業(yè)者的能力，如必須設法減少熱阻抗、改善散熱等等問題，目前的做法包括了：降低芯片的熱阻抗、控制模塊和印刷電路板的熱阻抗、提高芯片的散熱性等等。為了擴大LED特別是白光LED的用途，如何提高發(fā)光的效率、相應的輝度、延長使用壽命、降低熱效應，以及降低每單位照明的成本等條件，這需要業(yè)界做出持續(xù)不斷的努力