发光二极管领域发展分析

刘佳秋，李 鹏

（1.国家知识产权局，北京 100088；2.北京第二外国语学院，北京 100024）

0 引言

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种固态的半导体发光器件。与其他发光器件相比，LED 具有发光效率高、体积小、环保、耗能低、反应速度快、寿命长等优点，因此其应用越来越广泛，并逐渐取代传统的照明产品。近年来，发光二极管已经被应用于一般的家用照明上[1]。

1 技术发展

LED 最初用于仪器仪表的指示性照明，随后扩展到交通信号灯，再到景观照明、车用照明和手机键盘及背光源。后来发展出微型发光二极管（micro-LED）的新技术，其将原本发光二极管的尺寸大幅缩小，用可独立发光的红、蓝、绿微型发光二极管成阵列排列形成显示阵列，用于显示技术领域[2]。微型发光二极管具有自发光显示特性，比自发光显示的有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）效率高、寿命较长、材料不易受到环境影响而相对稳定[3]。

我国台湾地区的LED 产业发展较早、较快，是国际LED 产业的重点地区之一，近年来，随着岛内产业发展的下滑，产能逐步向大陆转移。我国大陆地区第一只LED 是1969 年由中科院长春物理所（现中科院长春光学精密机械与物理研究所）研制成功的。图1 是发光二极管的结构，发光原理是基于PN 结的导电特征，发光二极管主要包括P 型掺杂的半导体层和N 型掺杂的半导体层形成的PN 结构。由于P 型半导体层和N 型半导体层之间的载流子浓度差形成扩散电流，同时其中的自建电场形成漂移电流，在无外电场的情况下，扩散电流与漂移电流彼此平衡，在施加外电场的情况下，平衡状态被破坏，扩散电流增加由此形成了正向电流，空穴从P区注入到N 区，电子从N 区注入到P 区，在PN 结附近分别与N 区电子与P 区空穴复合，产生自发辐射的荧光。

图1 发光二极管结构

2 专利数据分析

在我国专利数据库中，截止2021 年12 月2 日，发光二极管的相关专利申请共计68 852 件，专利申请量非常可观。图2 显示了发光二极管在近10 年的专利申请量，从图2 可以看出，发光二极管领域的专利申请量几乎呈逐年上升态势，2012 年以前属于发光二极管专利申请的快速增长期，2012 年后进入平稳增长期。在发光二极管领域，各公司的研发投入和对技术的保护意识非常强。

图2 发光二极管领域近10 年的专利申请量年分布

发光二极管的技术脉络从生产流程角度可分为衬底的选择和制作、外延的形成、芯片的制作以及封装。从发光二极管器件的重要结构角度分类，并参考国际专利分类体系，发光二极管的重要技术分支包括以半导体为特征、以电极为特征、以涂层为特征（如钝化层或防反射涂层）以及以半导体封装体为特征（包括与半导体紧密接触或与封装集成在一起的元件）[4]。

图3 显示了参考国际专利分类体系的发光二极管领域技术分支比例。从图3 可以看出，在发光二极管领域，国内专利申请中封装领域的专利申请占比最多，比其他三个分支的专利申请的总和还多，并且封装领域的专利申请中实用新型专利比例可观。封装技术在我国发光二极管领域具有重要地位。

图3 发光二极管领域重要技术分支专利申请分布

其中，以半导体为特征的改进包括：具有一个量子效应结构或超晶格，如隧道结；具有多个在半导体中集成的发光区，如横向不连续发光层或光致发光区；具有一个光反射结构，如半导体布拉格反射镜；具有一个应力弛豫结构，如缓冲层；具有一个载流子传输控制结构，如高掺杂半导体层或电流阻断结构；具有一个特殊晶体结构或取向，如多晶的、非晶的或多孔的；具有特定的形状，如弯曲或截断的衬底；发光区的材料[4]。

专利申请CN109065686A 公开一种微型发光二极管，包括具有在一方向延伸的柱体的第一型半导体，发光层包覆第一型半导体的柱体，第二型半导体包覆发光层。该微型发光二极管能向三度空间发光，因此发光亮度得以提升[5]。CN109346584A 公开了一种发光二极管外延片，通过在掺杂镁的氮化镓层中插入掺杂碳的氮化镓层，降低空穴提供层的串联电阻，增强LED 的抗静电能力[6]。

以电极为特征的改进包括具有特定形状和相应的材料方面的改进[4]。例如，专利申请CN113690355A 公开了一种适用于可见光通信的并联阵列LED 芯片及其制备方法，柱状N 电极的顶部与n 型GaN 层欧姆接触，其底部键合金属层，由此降低了芯片的结电容，得到适用于可见光通信的高带宽LED 芯片[7]。CN110190164A 公开了一种柔性电致发光器件及其制备方法，采用纳米银线导电薄膜作为发光层两侧的透明电极，具有双面发光、便于图像化的特点，而且出光效率高[8]。

以涂层为特征的改进包括反射涂层方面，如介电布拉格反射镜[4]。专利申请CN108767083A 公开了一种应力可调的垂直结构LED 芯片，通过调节TiW 基金属的应力来调节LED 外延片的生长应力、生长衬底剥离时释放的应力以及减薄转移衬底时释放的应力[9]。

以半导体封装为特征的改进主要包括波长转换元件、封装结构本身（包括形状和材料）、光场整形元件、向该半导体导入或自该半导体导出电流的装置，如引线框架、焊线或焊球、热吸收或冷却元件[4]。图4 显示了封装领域各专利申请的技术分布。从图4 可已看出，在封装领域，申请量占比最大的是导电装置的设计，其次是波长转换元件的改进，再次是关于散热和光学元件的改进，而单纯的封装结构的改进占比最小。

图4 发光二极管封装领域各专利申请的技术分布

专利申请CN113684021A 公开了一种稀土近红外荧光粉及其制备方法和应用，该稀土近红外荧光粉化学式为：Cs2AgIn1xySbxYbyCl6。式中x，y分别为掺杂离子Sb3+，Yb3+相对基质离子In3+占的摩尔百分含量，取值范围：0.005≤x≤1.00，0.05≤y≤1.00。该荧光粉具有紫外至可见光区宽谱带激发和强近红外发射的优点[10]。

专利CN214848669U 公开了一种高对比度的LED 显示器件及模组，通过局部发光芯片的局部发光区外设置吸光区，并将多块局部发光区紧密靠近而形成总发光区域，极大地集中了发光部位，提高了LED 显示器件的对比度[11]。

3 结语

从以上分析数据可以看出，国内发光二极管领域的专利申请主要集中在封装领域，以改进发明居多，但近几年来国内企业对封装的改进效果明显优于国外同类产品，也就是说，在发光二极管领域，在没有掌握核心专利技术的局势下，我国企业仍走出了一条适合自身发展的、具有竞争力的产品路线。