發光二極管領域發展分析

劉佳秋，李 鵬

（1.國家知識產權局，北京 100088；2.北京第二外國語學院，北京 100024）

0 引言

發光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種固態的半導體發光器件。與其他發光器件相比，LED 具有發光效率高、體積小、環保、耗能低、反應速度快、壽命長等優點，因此其應用越來越廣泛，并逐漸取代傳統的照明產品。近年來，發光二極管已經被應用于一般的家用照明上[1]。

1 技術發展

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

我國臺灣地區的LED 產業發展較早、較快，是國際LED 產業的重點地區之一，近年來，隨著島內產業發展的下滑，產能逐步向大陸轉移。我國大陸地區第一只LED 是1969 年由中科院長春物理所（現中科院長春光學精密機械與物理研究所）研制成功的。圖1 是發光二極管的結構，發光原理是基于PN 結的導電特征，發光二極管主要包括P 型摻雜的半導體層和N 型摻雜的半導體層形成的PN 結構。由于P 型半導體層和N 型半導體層之間的載流子濃度差形成擴散電流，同時其中的自建電場形成漂移電流，在無外電場的情況下，擴散電流與漂移電流彼此平衡，在施加外電場的情況下，平衡狀態被破壞，擴散電流增加由此形成了正向電流，空穴從P區注入到N 區，電子從N 區注入到P 區，在PN 結附近分別與N 區電子與P 區空穴復合，產生自發輻射的熒光。

圖1 發光二極管結構

2 專利數據分析

在我國專利數據庫中，截止2021 年12 月2 日，發光二極管的相關專利申請共計68 852 件，專利申請量非常可觀。圖2 顯示了發光二極管在近10 年的專利申請量，從圖2 可以看出，發光二極管領域的專利申請量幾乎呈逐年上升態勢，2012 年以前屬于發光二極管專利申請的快速增長期，2012 年后進入平穩增長期。在發光二極管領域，各公司的研發投入和對技術的保護意識非常強。

圖2 發光二極管領域近10 年的專利申請量年分布

發光二極管的技術脈絡從生產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。從發光二極管器件的重要結構角度分類，并參考國際專利分類體系，發光二極管的重要技術分支包括以半導體為特征、以電極為特征、以涂層為特征（如鈍化層或防反射涂層）以及以半導體封裝體為特征（包括與半導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光二極管領域技術分支比例。從圖3 可以看出，在發光二極管領域，國內專利申請中封裝領域的專利申請占比最多，比其他三個分支的專利申請的總和還多，并且封裝領域的專利申請中實用新型專利比例可觀。封裝技術在我國發光二極管領域具有重要地位。

圖3 發光二極管領域重要技術分支專利申請分布

其中，以半導體為特征的改進包括：具有一個量子效應結構或超晶格，如隧道結；具有多個在半導體中集成的發光區，如橫向不連續發光層或光致發光區；具有一個光反射結構，如半導體布拉格反射鏡；具有一個應力弛豫結構，如緩沖層；具有一個載流子傳輸控制結構，如高摻雜半導體層或電流阻斷結構；具有一個特殊晶體結構或取向，如多晶的、非晶的或多孔的；具有特定的形狀，如彎曲或截斷的襯底；發光區的材料[4]。

專利申請CN109065686A 公開一種微型發光二極管，包括具有在一方向延伸的柱體的第一型半導體，發光層包覆第一型半導體的柱體，第二型半導體包覆發光層。該微型發光二極管能向三度空間發光，因此發光亮度得以提升[5]。CN109346584A 公開了一種發光二極管外延片，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電阻，增強LED 的抗靜電能力[6]。

以電極為特征的改進包括具有特定形狀和相應的材料方面的改進[4]。例如，專利申請CN113690355A 公開了一種適用于可見光通信的并聯陣列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光器件及其制備方法，采用納米銀線導電薄膜作為發光層兩側的透明電極，具有雙面發光、便于圖像化的特點，而且出光效率高[8]。

以涂層為特征的改進包括反射涂層方面，如介電布拉格反射鏡[4]。專利申請CN108767083A 公開了一種應力可調的垂直結構LED 芯片，通過調節TiW 基金屬的應力來調節LED 外延片的生長應力、生長襯底剝離時釋放的應力以及減薄轉移襯底時釋放的應力[9]。

以半導體封裝為特征的改進主要包括波長轉換元件、封裝結構本身（包括形狀和材料）、光場整形元件、向該半導體導入或自該半導體導出電流的裝置，如引線框架、焊線或焊球、熱吸收或冷卻元件[4]。圖4 顯示了封裝領域各專利申請的技術分布。從圖4 可已看出，在封裝領域，申請量占比最大的是導電裝置的設計，其次是波長轉換元件的改進，再次是關于散熱和光學元件的改進，而單純的封裝結構的改進占比最小。

圖4 發光二極管封裝領域各專利申請的技術分布

專利申請CN113684021A 公開了一種稀土近紅外熒光粉及其制備方法和應用，該稀土近紅外熒光粉化學式為：Cs2AgIn1xySbxYbyCl6。式中x，y分別為摻雜離子Sb3+，Yb3+相對基質離子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寬譜帶激發和強近紅外發射的優點[10]。

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

3 結語

從以上分析數據可以看出，國內發光二極管領域的專利申請主要集中在封裝領域，以改進發明居多，但近幾年來國內企業對封裝的改進效果明顯優于國外同類產品，也就是說，在發光二極管領域，在沒有掌握核心專利技術的局勢下，我國企業仍走出了一條適合自身發展的、具有競爭力的產品路線。