發(fā)光二極管領(lǐng)域發(fā)展分析

劉佳秋，李 鵬

（1.國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，北京 100088；2.北京第二外國語學(xué)院，北京 100024）

0 引言

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種固態(tài)的半導(dǎo)體發(fā)光器件。與其他發(fā)光器件相比，LED 具有發(fā)光效率高、體積小、環(huán)保、耗能低、反應(yīng)速度快、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用越來越廣泛，并逐漸取代傳統(tǒng)的照明產(chǎn)品。近年來，發(fā)光二極管已經(jīng)被應(yīng)用于一般的家用照明上[1]。

1 技術(shù)發(fā)展

LED 最初用于儀器儀表的指示性照明，隨后擴(kuò)展到交通信號(hào)燈，再到景觀照明、車用照明和手機(jī)鍵盤及背光源。后來發(fā)展出微型發(fā)光二極管（micro-LED）的新技術(shù)，其將原本發(fā)光二極管的尺寸大幅縮小，用可獨(dú)立發(fā)光的紅、藍(lán)、綠微型發(fā)光二極管成陣列排列形成顯示陣列，用于顯示技術(shù)領(lǐng)域[2]。微型發(fā)光二極管具有自發(fā)光顯示特性，比自發(fā)光顯示的有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode，OLED）效率高、壽命較長、材料不易受到環(huán)境影響而相對(duì)穩(wěn)定[3]。

我國臺(tái)灣地區(qū)的LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早、較快，是國際LED 產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)地區(qū)之一，近年來，隨著島內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的下滑，產(chǎn)能逐步向大陸轉(zhuǎn)移。我國大陸地區(qū)第一只LED 是1969 年由中科院長春物理所（現(xiàn)中科院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）研制成功的。圖1 是發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，發(fā)光原理是基于PN 結(jié)的導(dǎo)電特征，發(fā)光二極管主要包括P 型摻雜的半導(dǎo)體層和N 型摻雜的半導(dǎo)體層形成的PN 結(jié)構(gòu)。由于P 型半導(dǎo)體層和N 型半導(dǎo)體層之間的載流子濃度差形成擴(kuò)散電流，同時(shí)其中的自建電場形成漂移電流，在無外電場的情況下，擴(kuò)散電流與漂移電流彼此平衡，在施加外電場的情況下，平衡狀態(tài)被破壞，擴(kuò)散電流增加由此形成了正向電流，空穴從P區(qū)注入到N 區(qū)，電子從N 區(qū)注入到P 區(qū)，在PN 結(jié)附近分別與N 區(qū)電子與P 區(qū)空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。

圖1 發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)

2 專利數(shù)據(jù)分析

在我國專利數(shù)據(jù)庫中，截止2021 年12 月2 日，發(fā)光二極管的相關(guān)專利申請(qǐng)共計(jì)68 852 件，專利申請(qǐng)量非常可觀。圖2 顯示了發(fā)光二極管在近10 年的專利申請(qǐng)量，從圖2 可以看出，發(fā)光二極管領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量幾乎呈逐年上升態(tài)勢(shì)，2012 年以前屬于發(fā)光二極管專利申請(qǐng)的快速增長期，2012 年后進(jìn)入平穩(wěn)增長期。在發(fā)光二極管領(lǐng)域，各公司的研發(fā)投入和對(duì)技術(shù)的保護(hù)意識(shí)非常強(qiáng)。

圖2 發(fā)光二極管領(lǐng)域近10 年的專利申請(qǐng)量年分布

發(fā)光二極管的技術(shù)脈絡(luò)從生產(chǎn)流程角度可分為襯底的選擇和制作、外延的形成、芯片的制作以及封裝。從發(fā)光二極管器件的重要結(jié)構(gòu)角度分類，并參考國際專利分類體系，發(fā)光二極管的重要技術(shù)分支包括以半導(dǎo)體為特征、以電極為特征、以涂層為特征（如鈍化層或防反射涂層）以及以半導(dǎo)體封裝體為特征（包括與半導(dǎo)體緊密接觸或與封裝集成在一起的元件）[4]。

圖3 顯示了參考國際專利分類體系的發(fā)光二極管領(lǐng)域技術(shù)分支比例。從圖3 可以看出，在發(fā)光二極管領(lǐng)域，國內(nèi)專利申請(qǐng)中封裝領(lǐng)域的專利申請(qǐng)占比最多，比其他三個(gè)分支的專利申請(qǐng)的總和還多，并且封裝領(lǐng)域的專利申請(qǐng)中實(shí)用新型專利比例可觀。封裝技術(shù)在我國發(fā)光二極管領(lǐng)域具有重要地位。

圖3 發(fā)光二極管領(lǐng)域重要技術(shù)分支專利申請(qǐng)分布

其中，以半導(dǎo)體為特征的改進(jìn)包括：具有一個(gè)量子效應(yīng)結(jié)構(gòu)或超晶格，如隧道結(jié)；具有多個(gè)在半導(dǎo)體中集成的發(fā)光區(qū)，如橫向不連續(xù)發(fā)光層或光致發(fā)光區(qū)；具有一個(gè)光反射結(jié)構(gòu)，如半導(dǎo)體布拉格反射鏡；具有一個(gè)應(yīng)力弛豫結(jié)構(gòu)，如緩沖層；具有一個(gè)載流子傳輸控制結(jié)構(gòu)，如高摻雜半導(dǎo)體層或電流阻斷結(jié)構(gòu)；具有一個(gè)特殊晶體結(jié)構(gòu)或取向，如多晶的、非晶的或多孔的；具有特定的形狀，如彎曲或截?cái)嗟囊r底；發(fā)光區(qū)的材料[4]。

專利申請(qǐng)CN109065686A 公開一種微型發(fā)光二極管，包括具有在一方向延伸的柱體的第一型半導(dǎo)體，發(fā)光層包覆第一型半導(dǎo)體的柱體，第二型半導(dǎo)體包覆發(fā)光層。該微型發(fā)光二極管能向三度空間發(fā)光，因此發(fā)光亮度得以提升[5]。CN109346584A 公開了一種發(fā)光二極管外延片，通過在摻雜鎂的氮化鎵層中插入摻雜碳的氮化鎵層，降低空穴提供層的串聯(lián)電阻，增強(qiáng)LED 的抗靜電能力[6]。

以電極為特征的改進(jìn)包括具有特定形狀和相應(yīng)的材料方面的改進(jìn)[4]。例如，專利申請(qǐng)CN113690355A 公開了一種適用于可見光通信的并聯(lián)陣列LED 芯片及其制備方法，柱狀N 電極的頂部與n 型GaN 層歐姆接觸，其底部鍵合金屬層，由此降低了芯片的結(jié)電容，得到適用于可見光通信的高帶寬LED 芯片[7]。CN110190164A 公開了一種柔性電致發(fā)光器件及其制備方法，采用納米銀線導(dǎo)電薄膜作為發(fā)光層兩側(cè)的透明電極，具有雙面發(fā)光、便于圖像化的特點(diǎn)，而且出光效率高[8]。

以涂層為特征的改進(jìn)包括反射涂層方面，如介電布拉格反射鏡[4]。專利申請(qǐng)CN108767083A 公開了一種應(yīng)力可調(diào)的垂直結(jié)構(gòu)LED 芯片，通過調(diào)節(jié)TiW 基金屬的應(yīng)力來調(diào)節(jié)LED 外延片的生長應(yīng)力、生長襯底剝離時(shí)釋放的應(yīng)力以及減薄轉(zhuǎn)移襯底時(shí)釋放的應(yīng)力[9]。

以半導(dǎo)體封裝為特征的改進(jìn)主要包括波長轉(zhuǎn)換元件、封裝結(jié)構(gòu)本身（包括形狀和材料）、光場整形元件、向該半導(dǎo)體導(dǎo)入或自該半導(dǎo)體導(dǎo)出電流的裝置，如引線框架、焊線或焊球、熱吸收或冷卻元件[4]。圖4 顯示了封裝領(lǐng)域各專利申請(qǐng)的技術(shù)分布。從圖4 可已看出，在封裝領(lǐng)域，申請(qǐng)量占比最大的是導(dǎo)電裝置的設(shè)計(jì)，其次是波長轉(zhuǎn)換元件的改進(jìn)，再次是關(guān)于散熱和光學(xué)元件的改進(jìn)，而單純的封裝結(jié)構(gòu)的改進(jìn)占比最小。

圖4 發(fā)光二極管封裝領(lǐng)域各專利申請(qǐng)的技術(shù)分布

專利申請(qǐng)CN113684021A 公開了一種稀土近紅外熒光粉及其制備方法和應(yīng)用，該稀土近紅外熒光粉化學(xué)式為：Cs2AgIn1xySbxYbyCl6。式中x，y分別為摻雜離子Sb3+，Yb3+相對(duì)基質(zhì)離子In3+占的摩爾百分含量，取值范圍：0.005≤x≤1.00，0.05≤y≤1.00。該熒光粉具有紫外至可見光區(qū)寬譜帶激發(fā)和強(qiáng)近紅外發(fā)射的優(yōu)點(diǎn)[10]。

專利CN214848669U 公開了一種高對(duì)比度的LED 顯示器件及模組，通過局部發(fā)光芯片的局部發(fā)光區(qū)外設(shè)置吸光區(qū)，并將多塊局部發(fā)光區(qū)緊密靠近而形成總發(fā)光區(qū)域，極大地集中了發(fā)光部位，提高了LED 顯示器件的對(duì)比度[11]。

3 結(jié)語

從以上分析數(shù)據(jù)可以看出，國內(nèi)發(fā)光二極管領(lǐng)域的專利申請(qǐng)主要集中在封裝領(lǐng)域，以改進(jìn)發(fā)明居多，但近幾年來國內(nèi)企業(yè)對(duì)封裝的改進(jìn)效果明顯優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，也就是說，在發(fā)光二極管領(lǐng)域，在沒有掌握核心專利技術(shù)的局勢(shì)下，我國企業(yè)仍走出了一條適合自身發(fā)展的、具有競爭力的產(chǎn)品路線。