led屏幕发展趋势研究论文

中国LED产业发展前景分析随着全球LED市场需求的进一步加大，未来我国LED产业发展面临巨大机遇。然而，目前LED核心技术和专利基本被国外垄断，国内企业在"快乐"中"痛苦"前行--2008年，北京奥运会开幕式上，神奇的“画卷”彩屏出自中国金立翔科技有限公司；2009年，国庆60周年阅兵式，天安门广场上的巨幅彩屏出自中国利亚德电子科技有限公司；2010年，上海世博会开幕式上，1万平米的半导体发光二极管（LightEmittingDiode，下称LED）大屏幕出自中国锐拓显示技术有限公司……在这一个个看似风光无限的企业背后，隐藏着中国LED产业发展的巨大隐患。记者采访发现，目前，全球LED领域的技术和专利，一半以上被美、日、德等发达国家的少数大公司所占有。这些专利多为核心技术专利，国内企业尤其是中小企业很难寻找到突破口。此外，这些国外企业已在全球，尤其是中国，精心部署了专利网，犹如头悬一柄达摩克利斯之剑。我国LED产业要想取得长远发展，必须突破这些专利的层层包围。现状发展迅速，但企业规模偏小，产业链不完整作为目前全球最受瞩目的新一代光源，LED因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源。我国的LED产业起步于20世纪70年代，经过近40年的发展，现已形成上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄7个国家半导体照明工程产业化基地，产品广泛应用于景观照明和普通照明领域，我国已成为世界第一大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。然而，LED产业研究机构--集邦LED中国在线（LEDinside）的一份统计数据显示，截至2009年底，我国共有LED企业3000余家，其中，年产值上亿的只有140家。然而，在这140家企业中，没有一家企业的产品年销售额超过10亿元，超过5亿元的也只有少数几家，大部分在1亿元至2亿元之间。可见，虽然我国LED企业数量较多，但规模普遍偏小。记者在国内随机选择了一家LED企业进行采访。广东东莞勤上光电股份有限公司（下称勤上光电）创建于1993年，是国内较早从事LED产品生产的企业，并与清华大学共同组建了LED照明技术研究院，国内许多项目如国家大剧院照明、北京绿色奥运道路照明、上海F1赛车场照明、清华大学奥运场馆照明等都出自该企业。然而，就是这样一家国内LED产业发展的“探路者”，在遭遇日本、美国、德国的专利“围堵”时，也不得不绕道以避之。“勤上光电的研发主要集中在下游的应用领域，在上、中游的研发投入相对较少。这主要是因为，国外大公司和我国台湾的一些企业已经垄断了大部分LED核心技术，国内企业只能把目光转向技术含量较低的下游应用市场。”勤上光电知识产权专员万伟在中国知识产权报记者采访时，对国内LED企业的现状直言不讳。据记者了解，目前全球已初步形成以亚洲、北美、欧洲三大区域为中心的产业格局，以日本的日亚化工、丰田合成，美国的克里、通用电器和德国的欧司朗为专利核心的技术竞争格局。美、日企业在外延片、芯片技术、设备方面具有垄断优势，欧洲企业在应用技术领域优势突出，而我国的LED还处于较低端的水平，80%左右的产品集中在景观照明、交通信号灯等应用市场，在汽车照明、大屏幕等高端产品方面涉及的比较少。症结缺乏核心专利，产学研合作松散“来自日、美、欧的五大国际厂商代表了当今LED的最高水平，对产业发展具有重大影响。这种影响不仅体现在产品和收入上，更重要的是对技术的垄断，50%以上的核心专利都掌握在这五大厂商手中。”一位业内分析师向本报记者介绍。随着国内LED市场的蓬勃发展，越来越多的国外企业把目光转向中国，尤其近几年，我国受理的LED领域的专利申请数量逐年显著增加。记者在国家知识产权局发展研究中心提供的一份《半导体照明专利风险分析研究报告》中看到，截至2008年底，全球已有22个国家和地区在我国申请了专利，技术优势明显的国家在我国的专利申请比例较高，排名前五位的国家分别是日本、韩国、美国、德国和荷兰。其中，日本以1306件专利申请的数量遥遥领先，占申请总量的24%，其余四国分别占申请总量的7%、5%、4%、和3%。在有效专利方面，国内专利申请与国外来华专利申请的比例约为4比5。但在这些国内专利申请中，台湾地区占据了大量的份额，其有效发明专利占到了53%。换句话说，如果除去台湾地区，大陆与国外在专利数量、专利含金量方面的差距将会更大。此外，从产业链的分布来看，国外公司主要在芯片、封装领域的专利布局较多，有一半的LED核心发明在我国提出了专利申请，日亚化工、欧司朗、拉米尔德、克里、通用电气等公司掌握了绝大多数的核心专利技术。其中，日亚化工的核心专利最多，涉及除封装外的所有产业链。与上述外国公司相比，我国LED专利申请明显处于劣势。据高工LED产业研究所调查，截至2008年底，中国的LED相关专利申请共2.6071万件，其中处于产业中游和下游的封装与应用方面的专利接近50％。尽管我国在电极、微结构、反射层、衬底剥离/健合等方面具有一定优势，但大多属于外围专利，发明专利只占60％，且通过《专利合作条约》（PCT）途径提交的国际专利申请和向国外申请的专利不多。据了解，我国LED行业除了核心技术竞争力不强之外，产学研结合比较松散也是制约其发展的主要因素。我国的LED专利有很大一部分集中在科研院所，例如，在外延领域，专利拥有量排前三名的分别是中科院半导体所、中科院物理所和北京工业大学；在芯片领域，排前三位的分别是中科院半导体所、北京工业大学和北京大学。与科研院校相比，国内企业申请的实用新型专利较多。缺乏核心专利、产学研合作松散，已成为悬在中国企业头上的一把达摩克利斯之剑，随之而来的是企业随时面临的专利侵权风险。“2008年2月，一名美国老妇以专利侵权为由，向美国国际贸易委员会提出申请，要求对日立、三星、东芝等34家企业进行337调查，其中包括广州鸿利光电子有限公司、深圳洲磊电子有限公司等6家中国企业。这一案件为我国LED产业敲响了警钟。”一位业内专家向记者介绍，随着LED市场的进一步扩大，中国企业面临的专利风险将越来越高。对策加强自主研发，重视专利的重要作用北京奥运会、上海世博会等重大赛事活动对LED照明的集中展示让人们对其有了全新的认识，有力推动了中国LED产业的发展。但对国内企业而言，加强自主研发、壮大规模、提高产品质量与技术水平是现阶段的首要任务。TCL集团股份有限公司知识产权中心专利开发和授权许可部部长王华钧向记者表示：“面对国外公司的‘虎视眈眈’，国内企业更应苦练‘内功’，加大自主创新力度，重点研发能够被市场广泛接受和认可的新技术，并以此为基础，与国外公司展开许可、合作。”另外，“可以在消化、吸收国外先进技术的基础上，加强模仿创新，通过对竞争对手的核心专利进行改进，提高其技术效果，申请改进型专利，这是规避专利侵权风险的一条有效途径。”国家知识产权局发展研究中心主任毛金生指出。对此，北京市立方律师事务所律师谢冠斌也表达了相同的看法。他认为，企业要学会合法利用先进技术，跟踪即将到期的专利，签订专利实施许可合同、反垄断许可、交叉许可、授权生产，还可以到专利未覆盖的国家开拓市场。对于国内企业面临越来越多的知识产权纠纷，尤其是涉外专利诉讼，王华钧建议：“企业在接到跨国公司的专利侵权诉讼时，选择积极应诉才是上策，要学会巧妙运用各国不同的专利制度和法律诉讼程序。”他进一步解释说，以美国为例，利用美国民事诉讼中的证据交换程序，国内企业可以要求原告提供与涉案专利有关的所有技术资料，包括技术秘密。此外，加强企业与研究机构的产学研合作也是促进我国LED产业快速发展的有效途径。毛金生表示，国内有些研究机构具有一定的研发能力，而有些企业则具有较强的加工制造能力，企业之间、企业与科研机构之间要强化合作意识，促进科研机构的创新成果向企业转移，努力培育一批具有自主知识产权的创新型“龙头”企业。记者在采访过程中了解到，尽管我国LED产业发展中存在一些问题，但不可否认的是，这一情况目前已有逐渐好转的趋势，而且，我国在衬底、外延、封装以及芯片的部分领域内的优势是不容忽视的，一些科研院所拥有的专利技术世界领先，已经具备了与跨国公司抗衡的能力和实力。国务院发展研究中心国际技术经济研究所产业安全研究中心主任滕飞向记者表示，我国LED企业的观念在逐渐转变，越来越多的中小企业开始了战略性部署，逐渐重视在知识产权方面的前期积累，学习运用科学技术武装自己，运用专利开拓国内外市场，把一个个“陷阱”变成了良好的市场前景，“有了好的试验田和突破方向，企业应该多总结经验教训，这样才能飞得更高、更远。”背景链接什么叫LED？LED（LightEmittingDiode），中文含义是发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，可以直接把电转化为光，具有体积小、耗电量低、使用寿命长、亮度高、热量低、环保、耐用等特点。主要应用于各种室内、户外显示屏，汽车内部的仪表板、刹车灯、尾灯，电子手表，手机等。LED产业链包括哪几部分？LED产业链主要包括4个部分：LED外延片、LED芯片制造、LED器件封装和产品应用，此外，还包括相关配套产业。一般来说，外延属于LED产业链的上游，芯片属于中游，封装和应用属于下游。上游属于资本、技术密集型的领域，而中游和下游的进入门槛则相对较低。什么叫LED外延片？LED外延片生长的基本原理是：在一块加热至适当温度的衬底基片主要有蓝宝石和、SiC、Si上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。LED外延片衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。当前，能用于商品化的衬底只有两种，即蓝宝石和碳化硅，其他诸如GaN、Si、ZnO衬底，还处于研发阶段，离产业化仍有一段距离。什么是LED芯片？LED芯片也称为LED发光芯片，是一种固态的半导体器件，其主要功能是：把电能转化为光能，芯片的主要材料为单晶硅。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。什么叫LED封装？LED封装是指发光芯片的封装，与集成电路封装有较大不同，不仅要求能够保护灯芯，而且还要能够透光。所以，LED封装对封装材料有特殊要求。LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。LED封装包括引脚式封装、表面贴装封装、功率型封装等多种形式。LED应用产品包括哪些？信息显示。电子仪器、设备、家用电器等的信息显示、数码显示和各种显示器以及LED显示屏信息显示、广告、记分牌等。交通信号灯。城市交通、高速公路、铁路、机场、航海和江河航运用的信号灯等。汽车用灯。汽车内外灯、转向灯、刹车灯、雾灯、前照灯、车内仪表显示及照明等。LED背光源。小尺寸背光源：小于10英寸，主要用于手机、MP3、MP4、PDA、数码相机、摄像机和健身器材等；中等尺寸背光源：10英寸至20英寸之间，主要用于手提电脑、计算机显示器和各种监视器；大尺寸背光源：大于20英寸，主要用于彩色电视的显示屏。（信息来源：中研网）2010-08-20

市场竞争格局：呈金字塔形分布

——上游芯片市场较为集中

LED上游芯片市场被掌握核心技术、拥有较多自主知识产权和知名品牌、竞争力强、产业布局合理的龙头企业所占领，市场集中度较高。根据CSA数据显示，2020年中国LED芯片竞争格局中，三安光电占比28.29%，位居首位;其次华灿光电占比19.74%。TOP3合计占比超过整体规模的60%;TOP6合计占比超过80%。

——中游LED封装市场格局初定

目前我国LED 封装行业格局初定，近年来LED封装行业由于产能扩张经历了价格战后，部分中小厂商被淘汰，行业集中度逐渐提高，行业整合趋于完成。目前国内LED封装行业主要厂商有聚飞光电、芯瑞达、木林森、国星光电、瑞丰光电、万润科技、穗晶光电等。

——下游应用市场格局分散

LED下游应用领域涵盖通用照明、景观照明、显示、背光、汽车、信号等领域，行业进入门槛低，市场竞争较为激烈，市场集中度较低。其中，通用照明是LED应用最广泛的领域。从LED通用照明市场竞争格局来看，目前LED通用照明领域主要分为三大派系：海外照明品牌、国内一线品牌、国内其他品牌。其中海外老牌照明品牌的主要优势在于高端产品的研发能力以及多年的品牌影响力;国内一线品牌的优势在于国内广泛的销售网络和品牌影响力;而国内其他品牌的优势在于制造能力。

——行业整体竞争格局呈金字塔分布

总体来看，LED产业链各环节参与企业数量与市场集中情况呈金字塔型分布。上游衬底制作、外延生长和芯片制造具有技术和资本密集的特点，参与竞争的企业数量相对较少，企业资源比较集中;中游LED封装环节具有技术与劳动密集型特点，参与企业数量较多，近年来LED封装行业由于产能扩张经历了价格战后，部分中小厂商被淘汰，行业集中度逐渐提高;下游应用的进入门槛相对较低，劳动密集的特点更为突出，参与其中的企业数量最多，行业集中度较低，竞争激烈。

区域竞争格局：集中于珠三角、长三角

中国的LED产业可以划分为长三角经济区，环渤海经济产业区，珠三角经济产业区，闽赣经济产业区和中西部经济产业区五大主要经济产业区。从区域分布情况来看，珠三角和长三角是国内LED产业最为集中的地区，上中下游产业链比较完整，集中了全国80%以上的相关企业，也是国内LED产业发展最快的区域，产业综合优势比较明显，与LED有关的设备及原材料供应商纷纷在这两个区域落户。

根据企查猫数据显示，从中国LED行业企业分布图中可以看出，目前中国LED行业主要聚集在长三角、珠三角地区，具体集中省份为广东、江苏省、浙江省和福建省等。

—— 以上数据参考前瞻产业研究院《中国LED行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》

智能灯除了配备照明灯外，还可以配备红绿灯、5g基站、数据采集器、充电桩、LED户外智慧灯杆屏等民用服务设备。与其他服务设备相比，人们生活方式的变化、户外数字广告的反复更新、智能灯+led信息屏幕的结合，不但使市民的生活更加智能化，其商业价值也日益凸显。

与传统纸质广告不同，户外广告受到广告运营者的喜爱，广告运营者可以根据不同的场景、节日在户外推出多种形式的广告。户外广告的市场很广，但有些弊端慢慢显露出来。固定的户外广告流动性小，可以与听众进行单一的接触。一些大型户外广告不但会影响市容的面貌，更有安全隐患。因此，从2018年开始，全国各地开始了室外广告设施的拆除工作。除了“拆卡”行动外，各地有关部门还出台了一系列户外广告的管理方法，户外广告的设置将更加严格！遇到“历史上最严格的”户外广告法，户外广告形式也呈现出多样化发展。“LED户外智慧灯杆屏”是户外广告的新载体，带动户外广告行业的发展，自然成为户外广告主们的“新宠儿”。

首先，功能上，智能路灯的LED户外智慧灯杆屏可以通过同一数据平台的信息共享进行道路引导、道路交通实时转播、信息发布、广告宣传等，方便人们出行，同时后期投放广告增加收益。其次，就广告效果而言，“智能路灯led灯屏”可以同时播放多个画面，加深观众的印象，大大提高广告效果。最后，与大型户外广告牌相比，智能路灯上的LED户外智慧灯杆屏的占用空间可以说很小很小。可以美化城市空间，降低安全风险。

智研数据研究中心网讯： 内容提要：LED 存在静电释放损害和热膨胀系数等效能瓶颈和散热问题，使其功率不能做得很大，亮度低。目前常用的性能比较稳定的大功率LED 芯片是1W 和3W。可以通过集成芯片提高LED 功率，但现在技术还不成熟，主要是需要解决散热问题。也可以通过多珠LED 的串、并联或混联实现大功率LED 灯具。后两种效率较低，用的较少，多珠LED 串联是目前LED 灯具在照明领域应用的主流。 LED 灯的应用由于LED 灯有其它灯具无可比拟的优点，LED 灯正以非常快的速度发展并逐渐取代其他灯具，现在LED 灯已经被广泛应用在各照明领域中。由于LED 体积小，应用灵活，可以排列成各种形状，能够用计算机程序进行控制，所以可以显示出文字、图像、动画、影视等静态和动态的图案。在2008 年的北京奥运会开幕式上，LED 灯就显示了它无尽的魅力和优势。LED 被大量使用在公众显示器中，如各种信号灯、景观照明、广场街道的美化、公共娱乐场所美化、舞台效果照明、建筑照明等。在液晶显示器中，LED 被用作电脑、电视机和手机等显示屏幕的背光源。 在交通道路上，LED 已经用于可控节能型路灯照明、隧道灯照明、立交桥照明、交通信号灯等。在汽车灯具方面，现在许多轿车的制动灯、位置灯、转向信号灯、后雾灯、倒车灯等灯具都开始采用LED 光源。随着LED 技术的不断提高，技术问题不断得到解决，大功率LED 灯具的不断出现，LED 在室内照明、汽车灯具、演播厅、观片灯等领域的应用将会更加普及。 LED 虽然有很多优点，但是也存在着许多不足和技术问题有待进一步改进和解决，下面从几个方面对之进行了讨论。 1.大功率LED 技术。LED 存在静电释放损害和热膨胀系数等效能瓶颈和散热问题，使其功率不能做得很大，亮度低。目前常用的性能比较稳定的大功率LED 芯片是1W 和3W。可以通过集成芯片提高LED 功率，但现在技术还不成熟，主要是需要解决散热问题。也可以通过多珠LED 的串、并联或混联实现大功率LED 灯具。后两种效率较低，用的较少，多珠LED 串联是目前LED 灯具在照明领域应用的主流。但是单珠串联有个致命弱点，一颗损坏，整路不通。这是制约大功率LED 灯具在照明领域应用的一大瓶颈。提高LED 灯具的功率，一是从芯片方面提高功率，另一是优化电路设计提高功率。 2.散热技术。温度是影响LED 的一个重要因素，温度升高会使LED 的光衰减加快，而芯片结点处的温度直接影响LED的寿命，所以LED 散热能力的强弱限制了LED 的功率大小。 LED 内部的热量主要由LED 芯片和印刷电路板工作时产生，对于小功率LED，通过自然传导对流的方式就可以把热量散发出去，但对于大功率LED 就要考虑多方面散热。在散热设计上，通常从LED 封装散热、电路板散热和增加散热部件等方面考虑。 3.芯片技术和芯片封装技术。芯片技术发展的关键是衬底材料的选择和外延片的生长技术。技术提升的关键都是围绕着降低缺陷密度和如何研发出更高效稳定的器件进行的，而如何提升LED 芯片的发光效率则是目前整体技术指标的最重要衡量标准。传统的衬底材料有蓝宝石、Si、SiC，目前比较热门的材料有ZnO、GaN 等。制造外延片的主流方法是采用金属有机物化学气相沉积。据2011 年LED 环球在线报道，美国北卡罗来纳州大学提出了一种新的氮化镓生长工艺，这一新工艺有望把材料的缺陷减低千分之一，从而制造出更高亮度的LED发光二级管。 4.光学设计技术。LED是点光源且方向性好，通过LED点阵设计、透镜和反光装置的设计及二次光学设计甚至三次光学设计，可以达到较理想的配光曲线，这也是光学设计的难点。在整体照明中，需要灯具有较大的照射面，可以使用线性LED 灯条配以导光板等技术使之成为面光源。LED 汽车信号灯可由反射镜和配光镜组成，通过合理的设计可达到法规配光要求的光形分布。 5.驱动技术。LED 恒流驱动一般有电感型和开关电容型两种LED 驱动，电感型LED 驱动的驱动电流高，LED 的端电压低，适用于驱动多只LED 的应用。电容型LED 驱动常用在大功率LED 灯具中，其LED 的端电压和电流高，可获得高的功率和发光效率。LED 驱动电路的设计根据具体的需要可能会很复杂，但是在电路设计时必需考虑电源要有高的可靠稳定性以及电路要有浪涌保护等多种因素。 LED 灯具面临的技术问题除了上述，还有系统设计技术等问题有待进一步提高。此外，在LED 行业还没有形成统一的相关标准。 LED节能环保使用寿命长、直流驱动、可回收再利用，太阳能绿色环保无污染，太阳能电池提供的电压是直流电压，若把太阳能与LED灯结合起来使用，LED灯具在应用中就不再需要将交流电变为直流电，从而使使用方便简单。而且我们的社会能源问题和环境污染问题将会得到大大的改善。所以将LED与太阳能结合起来可能是将来照明事业的必然之路。现在这方面的应用还很少，已经有太阳能LED路灯、太阳能LED楼道灯、太阳能LED草坪灯等。 LED 节能环保寿命长，随着LED 技术水平的不断提升，高功率、高亮度、小尺寸LED 灯的不断出现，LED 灯具在各照明领域的应用必然会普及，LED 灯具必定会深入到人们的日常室内照明、生活、交通之中。LED 灯具及LED 与太阳能的结合，将会成为未来照明领域的主力军。

自从1993年Nakamura发明高亮GaN蓝光led以来，LED技术及应用突飞猛进。究其原因有两个方面：1）全系列RGB LED产生，其应用面大大拓宽，2）白光LED产生，让追求低碳时代的人们期望LED尽快成为智能化的第四代固态照明光源。虽然LED的发光效率已经超过日光灯和白炽灯，但商业化LED发光效率还是低于钠灯(150lm/W)。那么，哪些因素影响LED的发光效率呢？就白光LED来说，其封装成品发光效率是由内量子效率, 电注入效率, 提取效率和封装效率的乘积决定的。其中内量子效率主要取决于PN结外延材料的品质如杂质、晶格缺陷和量子阱结构, 目前内量子效率达60%。电注效率是由P型电极和N型电极间的半导体材料特性决定的，如欧姆接触电阻，半导体层的体电阻（电子的迁移率）。对460nm蓝光（2.7eV）LED，导通电压3.2-3.6V, 所以目前最好的电注入效率84%。但AlGaInP LEDs的大于90%。提取效率由半导体材料间及其出射介质间的不同折射率引起界面上的反射，导致在PN发射的光不能完全逸出LED芯片。提取效率目前最大达75%。封装效率由封装材料荧光粉的转换效率和光学透镜等决定的，封装效率为60%。因此目前白光LED的总效率可达23%。就LED芯片制造技术来说，它只直接影响着电注入效率和提取效率，因为内量子效率.和封装效率分别直接与MOCVD技术和封装技术有关，因此本文着重介绍相关于电效率和提取效率的LED芯片技术及其发展趋势。1.改善电注入效率从电学上来说LED可以看作由一个理想的二极管和一个等效串联电阻组成，其等效串联电阻由P型层电阻 、P型接触电阻、N型层电阻、N型接触电阻以及P-N结电阻等五部分组成。由于在四元AlGaInP LED中电注入效率大于90%，故下面重点讨论GaN基LED。1）接触电阻对于N-GaN的欧姆接触相对容易制作，常用几种金属组合如Ti/Al，Ti/Al/Ti/Au, Cr/Au/Ti/Au等，接触电阻率通常可以达到10-5~10-6 Ω•cm2。尤其用得最多的四层金属Cr/Au/Ti/Au的欧姆接触达 0．33 nΩ•cm2。值得一提的是有Al的金属组合中高温性能较差，在温度较高时Al存在横向扩散，这对于小尺寸芯片非常容易出现短路现象。对于低阻的p-GaN欧姆接触制作比较困难，原因是p-GaN 材料的P型浓度小于1018cm- 3，其次没有与P-GaN材料的功函数（7.5eV）匹配的金属材料。目前具有最大功函数的金属Pt，其功函数也只有5.65eV。所以接触电阻率通常为10 - 2~10-3Ω•cm 2。这样的接触电阻对于小功率LED来说不存在严重的问题，但对于大功率这个问题不能忽略了。在这种情况下要获得低阻的p-GaN欧姆接触就得选择合适的欧姆接触金属，还得去除GaN 表面氧化层和采用优化热退火条件的措施。2）体电阻由于掺Mg的P型GaN 载流浓度只有 1017/cm3量级，P型GaN层电阻率比较大（~1Ω?cm），比N型电阻率高出一个数量级以上，可以认为等效串联电阻的体电阻主要产生在P型层中。因此，采用两种方法来减小体电阻：一种是合理设计P、N电极结构，尽量缩短它们间的距离，尤其对于大功率芯片。另一种采用透明导电层（ITO/TCL）。2.改善提取效率大家知道，无论四元AlGaInP还是GaN LED，形成PN结的半导体材料具有高的折射率，根据SnELl定律，光在不同折射率界面处会发生全反射，因而降低了提取效率。下面将阐明芯片制造技术如何改变LED芯片的界面，从而提高芯片的光提取效率。（1） 芯片塑形（chip shaping）常规芯片的外形为立方体，左右两面相互平行，这样光在两个端面来回发射，直到完全被芯片所吸收，转化为热能，降低了芯片的出光效率。1993年，M. R. Krames等用磨成角度切割刀将AlGaInP LED成倒金字塔(Truncated Inverted Pyramid, TIP)形状（侧面与垂直方向成35度角）。芯片的四个侧面不再是相互平行，可以使得射到芯片侧面的光，经侧面的反射到顶面，以小于临界角的角度出射；同时，射到顶面大于临界角的光可以从侧面出射，从而大大提高了芯片的出光效率，外部量子效率可以达55%，发光效率高达100lm/W。但将TIP用于加工采用硬度极高的蓝宝石衬底的GaN LED有相等的困难。2001年，Cree公司成功地制作出具有相同的结构形式的GaN/SiC LED，其基板SiC具有被制作成斜面，并将外部量子效率提高到32%，但SiC价格比蓝宝石的高的多。（2） 表面粗化上面提到的芯片侧面增加提取效率的方法，那么在出光正面如何提高出光效率呢？目前主流的方法是通过表面粗化技术来破坏光在芯片内的全反射，增加光的出射效率，提高芯片的光提取效率。主要包括两种方法：随机表面粗化和图形表面粗化。随机表面粗化，主要是利用晶体的各向异性，通过化学腐蚀实现对芯片表面进行粗化；图形表面粗化，利用光刻、干法(湿法)刻蚀等工艺，实现对芯片表面的周期性规则图形结构的粗化效果。Lee Y J等人利用HPO3:HCl(5:1)实现对AlGaInP各向异性腐蚀的随机表面粗化。粗化的AlGaInP LED比未粗化的光致发光强度提高54%，外部量子效率提高54%，光输出功率提高60%。C. F. Shen等人利用图形表面粗化——图形蓝宝石衬底（Patterned Sapphire Substrate，PSS）制作GaN LED，其采用双面PSS其光输出功率比采用单面PSS和普通衬底的分别提高了23.7%和53.2%。（3）全角反射镜(Omni-Directional Reflector，ODR)相对于正面出光的反向背面光采用高反镜面的形式来提高提取效率。对于经典高亮AlGaInP LED，用MOCVD外延技术生长DBR层作为镜面，使得DBR LED出光强度是原始LED的1.3-1.6倍。但由于DBR反射率随着光入射角的增加迅速减少，仍有较高的光损耗，平均反射效率并不高。为此发展出与入射角无关的高反全角反射镜(Omni-Directional Reflector，ODR)，其由介质和金属组成。可以对任何方向入射的光都具有高反射率，LED 具有高光提取效率。全角反射镜可应用于正装芯片也可应用于倒装芯片。2007年，Osram公司Reiner W等，利用干法将外延刻蚀成多斜面，并在外延上沉积SiNx和金属，制作成掩埋式反射镜。在20mA，芯片在650nm波段的外部量子效率达到50%，光效为100lm/W。（4）键合技术（Wafer-Bonding）键合技术是获取高效LED的基本技术，通常依赖于一系列要求，如温度限制、密闭性要求和需要的键合后对准精度。在LED中常采用晶片直接键合和金属共晶的方法。在金属键合中，必须控制表面的粗糙度以及晶片的翘曲度。金属合金在键合过程中会熔解并实现界面的平坦化。液态的界面使共晶键合需要施加相对较小却要一致的压力。在不同的冶金学系统中共晶合金形成于250-390℃之间。常用的共晶键合包括Au-Si，Au-Sn，In-Sn，Au-In，Pb-Sn，Au-Ge，Pd-In。四元AlGaInP/GaAs LED采用透明（GaP）和Si基板，InGaN/GaN LED常采用Si基板。键合机的重要性能指标是温度、压力的均匀性。（5）激光剥离技术（Laser Lift Off, LLO）近几年来，蓝宝石GaN LED的光效有了很大的提升，但由于蓝宝石GaN结构和蓝宝石导热的局限性, 进一步提升蓝宝石GaN LED的光效受到限制，利用剥离蓝宝石衬底来避免这个问题。目前有几种方法如机械磨抛和激光剥离来去除蓝宝石衬底，但激光剥离技术是比较成功的剥离技术，也成为业界主流方法。它是利用紫外KrF脉冲准分子激光，比如248nm（5eV）, 对蓝宝石衬底透光(9.9eV)，GaN层吸收从而在蓝宝石和GaN界面产生激光等离子体，爆破冲击波使他们分离的原理。在实际工作中，首先在准备键合的基板和GaN外延上蒸镀键合金属；然后，将GaN外延键合到基板上；再用KrF脉冲准分子激光器照射蓝宝石底面，使蓝宝石和GaN界面GaN产生热分解；再加热使蓝宝石脱离GaN，从而实现对GaN 蓝宝石衬底的剥离。2003年，OSRAM利用该技术成功将GaN LED蓝宝石衬底去除，将GaN LED芯片的出光效率提升至75%，为传统的三倍。（6） 倒装技术(Flip Chip)常规GaN LED主要采用蓝宝石衬底，由于它的绝缘性，芯片的P和N电极只能设计制作在芯片的同一外延面上，这样由于N和P型的欧姆接触区域，电极区域和封装的金线遮挡导致了芯片有效出光区的面积减小；另外P型电极上增加导电性的Ni-Au 或ITO层对光具有吸收性。因此，常规的GaN LED结构限制了GaN LED提取效率的提高。如果利用倒装技术就可以解决上述两问题，提高LED的光提取效率。 倒装技术就是将芯片进行倒置，P型电极采用覆盖整个Mesa的高反射膜，从而光从蓝宝石衬底出射，避免了P型电极金属的遮挡。加上蓝宝石衬底的折射率1.7比GaN的2.4小，可以提高芯片的光出射效率。另外，也可以解决蓝宝石散热不良问题，倒装技术可以借助电极(或凸点)与封装的基板Si直接接触，从而降低了热阻，提升芯片的散热性能，提高器件可靠性。2001年，Wierer J J等研制出GaN LED功率型倒装芯片。在200mA在435nm波段的外部量子效率达到21%，光电转化效率达到20%，光提取效率是正装芯片的1.6倍；在1A下，光输出功率达到了400mW。目前倒装技术成为获取高效大功率LED芯片技术的主流之一。（7）光子晶体（Photonic Crystal）光子晶体主要用在LED表面或衬底上，是周期性分布的二维光学微腔。由于其在一定波段范围内光的禁带，光不能够在其中传输，因而当频率处在禁带内的光入射就会发生全反射。只要设计好光子晶体的结构参数，可以使得LED发出的光都在禁带内被反射,光子晶体不但增加了内量子效率，也增加提取效率。理论研究，指出通过制作带有光子晶体表面的芯片，可以使得其出光效率达到40%。M. Boroditsky等人在发光区周围制作二维光子晶体，其光致发光强度比未采用的增强了60%，外部量子效率可达到70%。（8）薄膜芯片技术（Film technology）传统的蓝宝石衬底，由于其结构上的限制发光效率的提升受到了限制。结合键合技术（wafer-bonding）和激光剥离（LLO）技术，通过去掉衬底，粗化出光面，无论在热特性还是光特性，都具有很好的性能。再通过表面粗化和倒装技术，可以获得光效和散热最好芯片，提取效率达75%。(9) AC LED芯片技术普通LED芯片必须供给合适的直流供电才能正常发光，而日常生活中采用的高压交流电(AC 100～220V)，必须将其由交流(AC)转换为直流(DC)，由高压转换为低压，才可以来驱动LED进行正常工作；同时，在进行AC与DC转换时有15%～30%的电能损失。用交流AC直接驱动LED发光，整个LED系统将大大简化。利用LED单向导通的特性，人眼不能响应AC的50-60Hz频率变化。所以，AC LED具有体积较小、效率高、高压低电流导通、双向导通，及GaN LED不存在静电击穿ESD等优点。AC LED 技术关键是通过串联和并联将正反向的多个微型芯片集成在单个大芯片上（如1.5mmx1.5mm），其输出功率可比同尺寸DC LED芯片提约50%。目前已有商品化功率型产品，在色温3000K为标准、CRI85下，可以实现75lm/W。3.技术发展趋势追求高的发光效率，一直是LED芯片技术发展的动力。倒装技术是目前获取高效大功率LED芯片的主要技术之一，衬底材料中蓝宝石和与之配套的垂直结构的衬底剥离技术（LLO）和键合技术仍将在较长时间内占统治地位。光子晶体和AC LED技术将是未来潜力很的技术。在不久的将来，采用新的金属半导体结构，改善欧姆接触，提高晶体质量，改善电子迁移率，电注入效率可获得92%。改善LED芯片外形，表面粗化和光子晶体，高反射率镜面，透明电极，提取效率可得90%，那时白光LED的总效率可达到52%.随着LED光效的提高，一方面芯片越做越小，在一定大小的外延片，如22，可切割的芯片数越多，从而降低单颗芯片的成本，降低了价格。如出现6mil。另一方面单芯片功率越做越大，如3W，将来往5W，10W发展。这对于功率需求的照明等应用中可以减少芯片使用数，降低应用系统的成本。

摘要：本文介绍计算机辅助教学(CAI)的特点、开发步骤。提出掌握一定计算机知识的专业教师应加快开发相应学科的CAI课件，以计算机促进教学。关键词：CAI课件 制作步骤�分析人类学习活动的历史，先从实践、探索、总结中学习各种生存的技能。以后发展为传授与本人直接体验相结合的学习过程，从师傅带徒弟方式变成学校教授传授为主，这是教育效率提高的一大进步。但从理想的教学形式看，师傅带徒弟方式确优于学校，因为教师传授失去了个别性，使学生处于被灌输的被动地位，失去灵活指导，对创造性思维缺少引导和激励。然而师徒式教学要求师傅的数量太多，CAI可以从认知理论出发，分析学习活动的各种形式，针对不同类型知识内容激发学习者的热情和兴趣，减轻教师繁重的重复劳动，是从教与学两方面提高教学质量的好途径。� 1. CAI简介 CAI全称计算机辅助教学(Computing Assisted Instruction)，CAI的第一个系统是美国伊里诺大学在60年代开发的PLATO(Programming Learning and Teaching Operation)系统。1981年在瑞士首次召开国际CAI学术会议，此后每年召开一次。由此可见，计算机辅助教学正在全球展开和普及。一般地，CAI的特点可以归纳为以下几个方面：� (1) CAI使教学不只是灌输式，而是可以根据教学目的，将其分为讲课型、练习型、自学型、实验型等。讲课型以基本原理为主，对复杂的动态图形，如物理学中的波动的“驻波”概念，在学习中是难点。在CAI中可以利用计算机动画技术演示波的传播过程，使学生既加强理解，又生动有趣。这正符合了认知理论中“刺激椃从Α薄ⅰ按碳�反应椙炕�钡墓嬖颍�杂谥匾�母拍詈凸�剑�捎猛夹巍⑸�簟⒍��⑸�省⑸了傅纫�鹧��淖⒁猓涣废靶偷?/FONT>CAI课件辅导学生做习题或自我测试，对回答做判断并加以提示辅导。强大的人机交互当然比普通纸上测试要生动，同时教师可逐步摆脱重复劳动，利用课件批改试卷和作业，大大减少人工消耗，又能及时综合学生的错误情况，改善课件内容；实验型课件可辅导学生预习实验和检查实验结果；模拟型课件是对现实世界的模拟，如学习驾驶汽车模拟系统，再如许多贵重的实验设施，可以让学生模拟实际的使用情况，既不用担心损坏实验器具，又可以使学生更快地掌握使用步骤。� (2) CAI课件使因材施教、个别化教学真正成为可能。不同程度的学生可以区别对待，学生掌握了学习的主动权，可以复习、重学、跳跃式学习。对于学习的时间、进度、内容、分量都可以自己选择，不会因有压力而放弃学习。� (3) 集中优秀教师去开发课件，使优秀教师的水平得到普及，从而更快地提高全体教师的水平及教学水平。� 综上所述，CAI的确具有“老师讲，学生听”的传统教学模式不具备的诸多优势，也是让计算机服务于教育事业和教学工作的有力工具。因此，在高教系统中加快开发CAI课件，普及CAI教学手段，完善CAI教学设施已经成为提高教学质量的重要方法之一。谈到开发CAI课件，一般都以为那是计算机专业人员的事情，其实不然。让我们分析一下目前市场上的学习软件吧，它们主要分成以下三类：一是计算机专业人员为各种计算机软件开发的学习软件，例如：《精通VISUAL FoxPro》、《电脑教授PhotoShop》、《AUTHORWARE精通篇》等等，二是计算机专业人员为许多自身能够了解的学科开发的学习软件，例如：英语学科的背单词、语法精通，为小学、初中、高中学生开发的学习软件等等。三是杂志汇编成的电子出版物，帮助用户需要时进行查阅，例如：《电脑报》、《时尚》等。从这里可以看出，高教领域大量的学科，尤其是农、林、医、师等，依然缺少配套的CAI学习软件，使得优秀教师的经验与学识不能共享。随着许多多媒体设计软件的出现，非计算机专业人员和教师短时间开发出一个漂亮的多媒体CAI课件且发行是完全可能的。� 2. 制作CAI课件� 制作一个多媒体CAI课件一般需经过四大步骤：即脚本、素材、集成、调试。� 2.1 编写脚本� 制作一个好的多媒体课件应该目标明确、思路清晰、内容精练、易于表达，它能大大提高软件制作的质量和效率。� ① 文字脚本� 对于一个CAI课件，首先要进行需求分析，即确定课件名称、课件功能、使用对象等，明确是讲课型、练习型、模拟型还是实验型或兼有几种。其次要进行目标分析，即对使用本软件的用户群要有较详细的分析了解，比如年龄特征、心理特征、知识结构、用户需求等。再次要进行内容分析，即根据需求确定软件内容并且划分出明显的层次结构。然后进行策略制定，即指定软件的表现形式，如目录索引、游戏探索等，保证课件有美观的界面和方便的交互操作，最后进行脚本编写，即指明哪些是必须显示的重要文字，哪些是作为话外音的文字，哪些是动画、图像、声音所需的说明型文字，形成文字脚本。� ② 创作脚本� 创作脚本编写的好坏决定了能否忠实地体现文字脚本的内容，又易于计算机的表达，是软件制作的关键。首先应根据具体内容选择用什么媒体，并非多用动画、录像就是好软件。声音的选择要将背景音乐和解说区分开来，并分别设置按纽控制开关，以增加交互性。其次软件开发者要有条有理的组织各类媒体信息，例如组织一个光盘的内容，根目录放什么，放置几个子目录，文件名和目录名怎么确定，最忌讳的是文件存放混乱，自己都不知道什么文件放在哪。� 2.2 收集加工素材� 多媒体素材的收集要靠平时的积累，如好的图片、好的MIDI音乐等。目前有许多工具可以对已采集到的素材进行加工，主要有四大类：� ① 图片加工工具 一般较好用的是Adobe公司的PhotoShop软件，可进行各种效果处理、美术字处理、色彩空间变换及格式文件转换等等。� ② 动画制作工具 AutoDesk公司3D Studio是目前在微机上制作三维动画的最佳软件，可以生成.AVI的Windows视频软件。� ③ 声音编辑工具 Windows自带录音机程序和一般附带的录音程序都有简单的波形音频文件的能力，实现截取、复制、粘贴、合并、改变音量和播放速度等。� ④ 视频编辑工具 Adobe公司的Premiere是较好的一个，可以将多幅静画连续并配音，生成.AVI、.MOV、.FLC等多种视频格式文件等功能。� 2.3 多媒体集成� 选择多媒体集成工具应尽量采用Windows版本，采用国际级大型多功能软件，因为它们使用方便、支持较多媒体。目前常用的多媒体集成工具