超高亮度LED的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用分析

 1 引言

    LED已有近30年的發(fā)展歷程。20世紀(jì)70年代，最早的GaP、GaAsP同質(zhì)結(jié)紅、黃、綠色低發(fā)光效率的LED已開始應(yīng)用于指示燈、數(shù)字和文字顯示。從此，LED開始進(jìn)入多種應(yīng)用領(lǐng)域，包括宇航、飛機(jī)、汽車、工業(yè)應(yīng)用、通信、消費(fèi)類產(chǎn)品等，遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門和千家萬(wàn)戶。到1996年，LED在全世界的銷售額已達(dá)到幾十億美元。盡管多年以來(lái)LED一直受到顏色和發(fā)光效率的限制，但是由于GaP和GaAsP LED具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、工作電流小、可與TTL、CMOS數(shù)字電路兼容等許多優(yōu)點(diǎn)，因而一直受到使用者的青睞。

    最近十年，高亮度化、全色化一直是LED材料和器件工藝技術(shù)研究的前沿課題。超高亮度（UHB）是指發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò) 100mcd的LED，又稱坎德拉（cd）級(jí)LED。高亮度A1GaInP和InGaNLED的研制進(jìn)展得十分迅速，現(xiàn)已達(dá)到常規(guī)材料GaA1As、 GaAsP、GaP不可能達(dá)到的性能水平。1991年，東芝公司和美國(guó)HP公司研制成InGaAlP 620nm橙色超高亮度LED，1992年，InGaAlP 590nm黃色超高亮度LED達(dá)到實(shí)用化。同年，東芝公司研制的InGaA1P 573nm黃綠色超高亮度LED的法向光強(qiáng)達(dá)2cd。1994年，日亞公司研制成InGaN 450nm藍(lán)（綠）色超高亮度LED。至此，彩色顯示所需的三基色紅、綠、藍(lán)以及橙、黃多種顏色的LED都達(dá)到了坎德拉級(jí)的發(fā)光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了超高亮度化、全色化，使發(fā)光管的戶外全色顯示成為現(xiàn)實(shí)。

    我國(guó)發(fā)展LED起步于20世紀(jì)70年代，80年代形成產(chǎn)業(yè)。全國(guó)約有100多家企業(yè)，95％的廠家都從事后道封裝生產(chǎn)，所需管芯幾乎全部從海外進(jìn)口。通過(guò)幾個(gè)"五年計(jì)劃"的技術(shù)改造、技術(shù)攻關(guān)、引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備和部分關(guān)鍵技術(shù)，使我國(guó)LED的生產(chǎn)技術(shù)已向前跨進(jìn)了一步。北京、長(zhǎng)春、南昌、上海、山東、河北等地的一些廠家，現(xiàn)已具有GaAs和GaP單晶、外延片、芯片的批量生產(chǎn)能力。由南昌746廠組建的欣磊光電公司的普亮LED 芯片生產(chǎn)線，1998年生產(chǎn)出管芯7億只，1999年超過(guò)10億只。信息產(chǎn)業(yè)部電子第13研究所下屬的河北匯有電力電子公司和河北立德電子公司已分別建成InGaA1P超高亮度LED外延片和芯片生產(chǎn)線，1999年年底達(dá)到年產(chǎn)外延片1萬(wàn)片、芯片1億只的生產(chǎn)能力，從而改變了我國(guó)超高亮度LED外延片、芯片全部從海外進(jìn)口的局面。

    本文將對(duì)超高亮度InGaA1P LED和InGaN LED在汽車指示燈、交通信號(hào)燈、大屏幕顯示、液晶顯示（LCD）的背光照明等中的應(yīng)用情況做一簡(jiǎn)要介紹。

    2 超高亮度LED的結(jié)構(gòu)及性能

    超高亮度紅A1GaAs LED與GaAsP、GaP LED相比，具有更高的發(fā)光效率，透明襯底（TS）A1GaAs LED （640nm）的流明效率已接近10lm/W，比紅色GaAsP?GaP LED大10倍。超高亮度InGaAlP LED提供的顏色與GaAsP、GaP LED相同，包括綠黃色（560nm）、淺綠黃色（570nm）、黃色（585nm）、淺黃（590nm）、橙色（605nm）、淺紅（625nm）、深紅（640nm）。InGaAlP LED吸收襯底（AS）的流明效率為101m/W，透明襯底（TS）為201m/W，在590nm～626nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)比GaAsP、GaP LED的流明效率要高10倍～20倍；在560nm～570nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)比GaAsP、GaP LED高出2倍～4倍。超高亮度InGaN LED提供了藍(lán)色光和綠色光，其波長(zhǎng)范圍：藍(lán)色為450nm～480nm，藍(lán)綠色為500nm，綠色為520nm；其流明效率為3m/W～151m/W。超高亮度LED目前的流明效率已超過(guò)帶濾光片的白熾燈，可以取代功率1W以內(nèi)的白熾燈，而且用LED陣列可以取代功率在150W以內(nèi)的白熾燈。對(duì)于許多應(yīng)用，白熾燈都是采用濾光片來(lái)得到紅色、橙色、綠色和藍(lán)色，而用超高亮度LED則可得到相同的顏色。近年，用AlGaInP材料和InGaN材料制造的超高亮度LED將多個(gè)（紅、藍(lán)、綠）超高亮度LED芯片組合在一起，不用濾光片也能得到各種顏色，包括紅、橙、黃、綠、藍(lán)，目前其發(fā)光效率均已超過(guò)白熾燈，正向熒光燈接近。發(fā)光亮度已高于1000mcd，可滿足室外全天候、全色顯示的需要，用LED彩色大屏幕可以表現(xiàn)天空和海洋，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫。新一代紅、綠、藍(lán)超高亮度LED達(dá)到了前所未有的性能。[!--empirenews.page--]

3 超高亮度LED的應(yīng)用

    3.1 信息指示燈

    3.1.1 汽車信號(hào)指示

    汽車指示燈在車的外部主要是方向燈、尾燈和剎車燈；在車的內(nèi)部主要是各種儀表的照明和顯示。超高亮度LED用于汽車指示燈，與傳統(tǒng)的白熾燈相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，在汽車產(chǎn)業(yè)中有著廣泛的市場(chǎng)。LED 能夠經(jīng)受較強(qiáng)的機(jī)械沖擊和震動(dòng)。平均工作壽命（MTBF）比白熾燈泡高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出汽車本身的工作壽命，因此LED剎車燈可封裝成一個(gè)整體，而不必考慮維修。透明襯底AlGaAs和AlInGaP LED與帶有濾光片的白熾燈泡相比具有相當(dāng)高的流明效率，這樣，LED剎車燈和方向燈就能夠在較低的驅(qū)動(dòng)電流下工作，典型的驅(qū)動(dòng)電流只有白熾燈的1/4。較低的功率還可降低汽車內(nèi)部線路系統(tǒng)的體積和重量，同時(shí)還可減小集成化的LED信號(hào)燈的內(nèi)部溫升，允許透鏡和外罩使用耐溫性能較低的塑料。LED剎車燈的響應(yīng)時(shí)間為100ns，比白熾燈的響應(yīng)時(shí)間短，這樣便給司機(jī)留下了更多的反應(yīng)時(shí)間，從而提高了行車的安全保證。汽車的外部指示燈的照度及顏色均有明確規(guī)定。汽車的內(nèi)部照明顯示雖不像外部信號(hào)燈那樣受到政府有關(guān)部門的控制，但汽車的制造者對(duì)LED的顏色及照明度有要求。GaP LED早已用于車內(nèi)，超高亮度AlGaInP和InGaN LED由于在顏色和照明度上可滿足制造者的要求，因而將更多地取代車內(nèi)白熾燈。從價(jià)格上看，盡管LED燈與白熾燈相比還是較貴的，但從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，二者的價(jià)格并沒(méi)有明顯的差別。隨著超高亮度TSAlGaAs和AlGaInP LED實(shí)用化的發(fā)展，最近幾年價(jià)格一直在不斷降低，今后降低的幅度還會(huì)更大。

    3.1.2 交通信號(hào)指示

    用超高亮度LED取代白熾燈，用于交通信號(hào)燈、警示燈、標(biāo)志燈現(xiàn)已遍及世界各地，市場(chǎng)廣闊，需求量增長(zhǎng)很快。根據(jù)美國(guó)交通部門 1994年的統(tǒng)計(jì)，美國(guó)安裝交通信號(hào)燈的十字路口有26萬(wàn)個(gè)，每個(gè)十字路口至少要有12個(gè)紅色、黃色、藍(lán)綠色信號(hào)燈。許多十字路口還有一些附加的轉(zhuǎn)變標(biāo)志和跨越馬路的人行橫道警示燈。這樣，每個(gè)十字路口可能有20個(gè)信號(hào)燈，而且要同時(shí)發(fā)光。由此可推算出美國(guó)全國(guó)約有1.35億個(gè)交通信號(hào)燈。目前采用超高亮度LED取代傳統(tǒng)的白熾燈降低電力損耗已取得明顯效果。每年在交通信號(hào)燈上的耗電量約為100萬(wàn)千瓦，采用超高亮度LED取代白熾燈后，其耗電量?jī)H為原來(lái)的12％。

    對(duì)交通信號(hào)燈，每個(gè)國(guó)家的主管部門都要制定相應(yīng)的規(guī)范，規(guī)定信號(hào)的顏色、最低的照明強(qiáng)度，光束空間分布的圖樣以及對(duì)安裝環(huán)境的要求等。盡管這些要求是按白熾燈編寫的，但對(duì)目前采用的超高亮度LED交通信號(hào)燈基本上是適用的。

    LED交通信號(hào)燈與白熾燈相比，工作壽命較長(zhǎng)，一般可達(dá)到10年，考慮到戶外惡劣環(huán)境的影響，預(yù)計(jì)壽命要減少到5年～6年。目前超高亮度AlGaInP紅、橙、黃色LED已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，價(jià)格也比較便宜，若用紅色超高亮度LED組成的模塊取代傳統(tǒng)的紅色白熾交通信號(hào)燈頭則可將因紅色白熾燈突然失效給安全造成的影響降低到最低程度。一般LED交通信號(hào)模塊由若干組串聯(lián)的LED單燈組成，以12英寸的紅色LED交通信號(hào)模塊為例，在3組～9組串聯(lián)的LED單燈，每組串聯(lián)的LED單燈數(shù)為70個(gè)～75個(gè)（總數(shù)為210個(gè)～675個(gè)LED單燈），當(dāng)有一個(gè)LED單燈失效時(shí)，只會(huì)影響一組信號(hào)，其余各組減小到原來(lái)的2/3（67％）或8/9（89％），并不會(huì)像白熾燈那樣使整個(gè)信號(hào)燈頭失效。

    LED交通信號(hào)模塊存在的主要問(wèn)題是造價(jià)仍然顯得高些，以12英寸的TS－AlGaAs紅色LED交通信號(hào)模塊為例，最早應(yīng)用于1994年，其造價(jià)為350＄，而到1996年，性能更好的12英寸的AlGaInP LED交通信號(hào)模塊，造價(jià)為200＄。預(yù)計(jì)不會(huì)很久，InGaN藍(lán)綠色LED交通信號(hào)模塊的價(jià)格將可與AlGaInP相比。白熾交通信號(hào)燈頭的造價(jià)雖低，但耗電量大，一個(gè)直徑為12英寸的白熾交通信號(hào)燈頭的耗電量為150W，橫過(guò)馬路人行道的交通警示燈的耗電量為67W，據(jù)計(jì)算，每個(gè)十字路口的白熾信號(hào)燈每年的耗電量為18133kWh，折合每年的電費(fèi)為1450＄；然而，LED交通信號(hào)模塊非常省電，每個(gè)8英寸～12英寸的紅色LED交通信號(hào)模塊的耗電量分別為15W和20W，十字路口拐彎處的LED標(biāo)志可用箭頭開關(guān)顯示，耗電量?jī)H有9W，據(jù)計(jì)算，每個(gè)十字路口每年可省電9916kWh，相當(dāng)每年節(jié)省電費(fèi)793＄。按每個(gè)LED交通信號(hào)模塊的平均造價(jià)為200＄計(jì)，紅色LED交通信號(hào)模塊僅用其節(jié)省的電費(fèi)，3年后即可收回最初的成本造價(jià)，并開始不斷得到經(jīng)濟(jì)回報(bào)。因此目前使用AlGaInP LED交通信息模塊，盡管造價(jià)顯得高些，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，還是合算的。 3.2 大屏幕顯示

    大屏幕顯示是超高亮度LED應(yīng)用的另一個(gè)巨大市場(chǎng)，包括圖形、文字、數(shù)字的單色、雙色和全色顯示。傳統(tǒng)的大屏幕有源顯示一般采用白熾燈、光纖、陰極射線管等；無(wú)源顯示一般采用翻牌的方法。LED顯示曾一直受到LED本身性能和顏色的限制。如今，超高亮度AlGaInP、TS－ AlGaAs、InGaN LED已能夠提供明亮的紅、黃、綠、藍(lán)各種顏色，可完全滿足全色大屏幕顯示的要求。LED顯示屏可按像素尺寸裝配成各種結(jié)構(gòu)，小像素直徑一般小于5mm，單色顯示的每個(gè)像素用一個(gè)T－1（3/4）的LED燈，雙色顯示的每個(gè)像素為雙色的T－1（3/4）的LED燈，全色顯示則需要3個(gè)T－1紅、綠、藍(lán)色燈，或者裝配一個(gè)多芯片的T－1（3/4）的LED燈作為一個(gè)像素。大像素則是通過(guò)把許多T－1（3/4）紅、綠、藍(lán)色LED燈組合在一起構(gòu)成的。用 InGaN(480nm)藍(lán)、InGaN(515nm)綠和AsAlGaAs(637nm)紅LED燈作為L(zhǎng)ED顯示的三基色，可以提供逼真的全色性能，而且具有較大的顏色范圍，包括藍(lán)綠、綠紅等，與國(guó)際電視系統(tǒng)委員會(huì)（NTSC）規(guī)定的電視顏色范圍基本相符。

    3.3 液晶顯示（LCD）的背照明

    在液晶顯示中至少有10％采用有源光作為背照明，光源可使LCD顯示屏在黑暗的環(huán)境下易讀，全色LCD顯示也需要光源。LCD背照明所需的光源主要有白熾燈泡、場(chǎng)致發(fā)光、冷陰極熒光、LED等，其中LED在LCD背照明中最有競(jìng)爭(zhēng)力，新型的超高亮度AlGaInP、AlGaAs、 InGaN LED可以提供高效率的發(fā)光和寬范圍的顏色。[!--empirenews.page--]

    LED用于LCD背照明主要有3種方式。（1）最簡(jiǎn)單的是把LED燈直接安裝在LCD散射膜的后面，可用許多封裝的LED燈，它們應(yīng)當(dāng)具有非常寬的光束角，以使軸向光的均勻性較好。也可以采用未封裝的管芯，一般用GaP LED，然而用AlGaInP、TS－AlGaAs LED則可在小電流下工作，減小功耗。（2）另一種方式是邊緣光LCD背照明，用一個(gè)透明或半透明的矩形塑料塊作為導(dǎo)光體，將其直接安裝在LCD散射膜的后面，塑料塊的后表面涂上白色反光材料，LED光從塑料塊的一個(gè)側(cè)邊射入，其余側(cè)邊作成白色反光材料。（3）將LED發(fā)出的光導(dǎo)入光纖束之中，光纖束的散射膜后面構(gòu)成一個(gè)平坦的薄片，可以用不同的方法將光從薄片中取出作為L(zhǎng)CD的背照明。采用LED作為背照明的液晶顯示器可用于移動(dòng)電話、筆記本電腦。隨著小型液晶顯示器在節(jié)電型通信產(chǎn)品中的廣泛使用，將會(huì)對(duì)超高亮度LED有更大的需求。

    3.4 固體照明燈

    全色超高亮度LED的實(shí)用化和商品化，使照明技術(shù)面臨一場(chǎng)新的革命，由多個(gè)超高亮度紅、藍(lán)、綠三色LED制成的固體照明燈不僅可以發(fā)出波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)的各種色光，而且還可以發(fā)出亮度可達(dá)幾十燭光到一百燭光的白色，成為照明光源。最近，日亞公司利用其InGaN藍(lán)光LED和熒光技術(shù)，又推出了白光固體發(fā)光器件，其色溫為6500K，效率達(dá)每瓦7.5流明。對(duì)于相同發(fā)光亮度的白熾燈和LED固體照明燈來(lái)說(shuō)，后者的功耗只占前者的10％～20％，白熾燈的壽命一般不超過(guò)2000小時(shí)，而LED燈的壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)。這種體積小、重量輕、方向性好、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、耐各種惡劣條件的固體光源必將對(duì)傳統(tǒng)的光源市場(chǎng)帶來(lái)沖擊。盡管這種新型照明固體光源的成本依然偏高，但可以應(yīng)用于一些特殊場(chǎng)合，如礦山、潛水、搶險(xiǎn)、軍用裝置的照明等。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，如果超高亮度LED的生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，成本進(jìn)一步降低，其節(jié)能和長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)足以彌補(bǔ)價(jià)格偏高的劣勢(shì)。超高亮度LED將有可能成為一種很有競(jìng)爭(zhēng)力的新型電光源。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    超高亮度LED的問(wèn)世和產(chǎn)業(yè)化不僅拓展了原有的應(yīng)用領(lǐng)域，而且將有一個(gè)潛力巨大的市場(chǎng)。今后幾年InGaNLED隨著規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的完善和產(chǎn)品成本的降低，價(jià)格將和AlGaInPLED相近。到那時(shí)，我國(guó)的LED產(chǎn)業(yè)將具有一定規(guī)模和參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的能力，超高亮度LED在我國(guó)將會(huì)有一個(gè)大發(fā)展。