【文章內(nèi)容簡介】 鋁器件層都是相當(dāng)復(fù)雜的，這些問題歷 經(jīng)近 10 年時間才得以解決，最終實現(xiàn)了內(nèi)量子效率接近 100%的 AlInGaP LED。幾乎每個注入到 器件中的電子 空穴對都產(chǎn)生一個光子，因此如何使在 PN 結(jié)內(nèi)形成的光子到達LED 外就成了一種挑戰(zhàn)，首先是如何防止光被窄帶隙 （ ） GaAs 襯底吸收。人們在研究中曾經(jīng)嘗試過采用在布喇格發(fā)射鏡的外延結(jié)構(gòu)中摻雜并在 GaP 襯底上直接 生長 的技術(shù)，但是最成功的還是通過蝕刻法強力除去 GaAs 襯底，采用芯片接合法取代 GaP 技術(shù)。采用該技術(shù)研制的發(fā)光器件的發(fā)光率為 25lm/W，幾乎是帶紅 第 3 頁 色濾光燈泡發(fā)光效率的 10 倍。每只 LED 的光通量為幾流明，由它們組成的 LED陣列首先被制成了汽車上的停車燈、紅色交通信號燈以及單色室外信號標(biāo)志燈。 繼 AlInGaP 技術(shù)之后，日本的 Nichia 化學(xué)公司 （ 日本德島 ） 和 名古屋大學(xué) （ 日本名古屋市 ） 的研究人員掌握了使用金屬有機化學(xué)氣相沉積技術(shù)在藍寶石襯底上外延生長 AlInGaN 的復(fù)雜工藝。 AlInGaN 材料的帶隙比 AlInGaP 的寬，可以覆蓋高能量的藍光和綠光波段。 AlInGaN 材料系并不像 AlInGaP 材料系那樣為人們所熟悉 。AlInGaN 綠光組件在標(biāo)準(zhǔn)的工作電流下內(nèi)量子效率停留在 40%～ 50%，而藍光器件的內(nèi)量子效率為 60%～ 80%。通過利用透明的藍寶石襯底以及人眼對綠光比對藍光或紅光更敏感 的特點，人們已經(jīng)制造出光通量為幾流明的綠光 LED。這種 LED 和紅光 AlInGaP LED、近流明級的藍光 LED 組合起來，就可完全用固體光源制作大型全色信號標(biāo)志。 藍光 AlInGaN LED 產(chǎn)生的光子和熒光粉的發(fā)光將一部分藍光轉(zhuǎn)變?yōu)槠浠パa色 （ 黃色 ） 。人眼看到這種藍光和黃光的混合是一種不鮮明的白色。 Lumileds 公司在 Philips Lighting 公司的技術(shù)指導(dǎo)下生產(chǎn)了一系列大功率 LED。在 12W 輸入功率下， Lumileds 公司生產(chǎn)的 Luxeon 型器件比傳統(tǒng)的 ? 5mmLED 高20 倍，發(fā)光效率高出 50%，壽命可達幾萬小時。 目前市場上出售的器件不僅有紅光和橙光 AlInGaP LED，而且還有綠光、 藍光和白光 AlInGaN LED。 LED 的封裝熱敏電阻由 300 /W? 下降到 15 /W? 以下。 LED 封裝的熱敏電阻的降低使其能應(yīng)用于激光器中，并獲得 55lm 紅光、 30lm 綠光、 10lm 藍光與熒光粉轉(zhuǎn)換為 25lm 的白光輸出。單管 5W 封裝的 110lm 白光 LED 的光輸出和 15W 白熾燈的光輸出相當(dāng)，而封裝體積僅相當(dāng)于白熾燈的 1%，功耗僅為其 1/3。用 12 只 110lm 的器件足以制成一只汽車前燈。 這種前燈并非傳統(tǒng)的 6V 汽車前燈，而是高強度等效放電的超高亮度冷光藍色前燈。 每只單色綠光 5W LED 的光通量超過 130lm，兩只這樣 的光源即可以替代傳統(tǒng)的 8～ 12 英寸 150W 交通信號燈，可節(jié)約 90%的能量。這些由 紅光、綠光、藍光組合的光源的發(fā)光效率可與液晶顯示屏電視機和監(jiān)視器背光照明用的冷陰極熒光燈相比，而且具有體積小和窄譜帶光色的特點。 通過對高強度藍光 LED的不斷研發(fā)產(chǎn)生了好幾代亮度越來越高的器件，在 1990年左右推出的 基于碳化硅裸片材料的 LED 的效率大約是 ，發(fā)出的光強度很少有超過 15mcd 的。 20 世紀(jì) 90 年代中期出現(xiàn)了第一個基于 GaN 的實用 LED。現(xiàn)在還有許多公司在用不同的基底 （ 如藍寶石和碳化硅 ） 生產(chǎn) GaN LED，這些 LED能夠發(fā)出綠色、藍色、或紫羅蘭等顏色的光。 高亮度藍色 LED 的發(fā)明使真彩廣告顯示屏的實現(xiàn)成為可能，這樣的顯示屏能夠顯示真彩、全運動的視頻圖象。 藍光 LED 的出現(xiàn)使人們還能利用 倒行轉(zhuǎn)換的磷光材料將較高能量的藍光部分轉(zhuǎn)化成其他顏色。將藍光與轉(zhuǎn)換磷的黃光整合在一起就能 得到白光 ，而整合適當(dāng)數(shù)量的藍光與紅橙磷發(fā)出的光，則可以產(chǎn)生略帶桃色或紫色的光。 現(xiàn)在僅用 LED 光 第 4 頁 源就能完全覆蓋 CIE 色度曲線中的所有飽和顏色，并且各種顏色 LED 與磷的有機整合幾乎能夠毫無限制地產(chǎn)生任何顏色。 在可靠性方面， LED 的半衰期 （ 即光輸 出量減少到最初值一半的時間 ） 大概是1 萬～ 10 萬小時。相反，小型指示型白熾燈的半衰期 （ 此處的半衰期指的是有一半數(shù)量的燈失效的時間 ） 典型值是 10 萬到數(shù)千小時不等，具體時間取決于燈的額定工作電流。 LED 的發(fā)展不單純是它的顏色的拓展，還有其亮度的提高。 像計算機技術(shù)一樣，LED 的發(fā)展遵循摩爾定律，每隔 18 個月它的亮度就會提高一倍。早期的 LED 只能應(yīng)用于指示燈、計算器顯示屏和數(shù)碼手表，而現(xiàn)在開始出現(xiàn)在超高亮度 領(lǐng)域。 LED的產(chǎn)生基于兩種需求：其一是 LED 的制造工藝流程較簡單，制造成本較低，經(jīng)常作為鐳射的代用光源，其二是 絕大部分的光通信是在紅外光譜下進行的。既然 發(fā)光組件可以產(chǎn)生光源，那么就可設(shè)計成可見光的形式，應(yīng)用于信號 判別、數(shù)字顯示甚至于影象處理或顯示屏。由于這兩種 不同的需要， LED 漸漸的獨立而自成一個體系，其最大的應(yīng)用領(lǐng)域在于顯示器及相關(guān)工業(yè)，其波長包含了可見光的大部分范圍，主要為紅、黃、綠以及最近發(fā)展出來的藍光光譜。 與傳統(tǒng)的照明方式相比 ， 半導(dǎo)體照明 ， 尤其是氮化稼基白光 LED 照明 ，在功耗及壽命方面均有不可比擬的優(yōu)越性。 傳統(tǒng)白熾燈泡采用熱發(fā)光技術(shù) ， 浪費了 90% 的能源。 而 LED 的效能轉(zhuǎn)換率卻非常高。氮化稼基白光 LED 成 為半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)動機。 LED 光源與傳統(tǒng)光源相比較，具有如下的優(yōu)點： 超長壽命，可達幾萬小時，傳統(tǒng)光源一般為幾千小時；結(jié)構(gòu)堅固，沒有鎢絲、玻殼等容易損壞的部件，具有極高的抗震性能 ； 響應(yīng)速度快，光通上升時間短；對點燈線路要求低，易實現(xiàn)調(diào)光和智能控制；耐開關(guān)沖擊，適用于頻繁開關(guān)場合 ； 高效節(jié)能，現(xiàn)有光效已經(jīng)超過白熾燈，理論光效可達 2020m/W；不含汞、鉛等有害物質(zhì)， 沒有污染，綠色環(huán)保。 LED 的應(yīng)用領(lǐng)域 在新興應(yīng)用市場不斷出現(xiàn)的帶動下，近些年 LED 市場規(guī)?？焖偬嵘?。 2020 年中國 LED 的產(chǎn)量已經(jīng)達到 億只，市場規(guī)模更是突破百億元大關(guān)達到 億元。 圖 可以形象的說明這一發(fā)展概況。 第 5 頁 圖 2020— 2020 年中國高亮度 LED 管芯市場銷售數(shù)量與增長預(yù)測 應(yīng)用 1：顯示屏是 LED 主要應(yīng)用市場，全彩顯示屏增勢強勁。我國 LED 顯示屏市場起步較早，市場上出現(xiàn)了一批具有很強實力的 LED 顯示屏生產(chǎn)廠商。目前LED 顯示屏己經(jīng)廣泛應(yīng)用到車站、機場、銀行、證券、醫(yī)院、體育場館、市政廣場、演唱會等場合上。在 LED 需求量上， LED 顯示屏僅次于 LED 指示燈名列第二，占到 LED整體銷量的 %。 由于用于顯示屏的 LED在亮度和壽命上的要求高于 LED指示燈，平均價格在指示燈 LED 之上，這就導(dǎo)致顯示屏用 LED 市場規(guī)模達到 億元，超過指示燈，位居榜首。 應(yīng)用 2：小尺寸背光源市場放緩，中大尺寸將成為新關(guān)注點。 LED 早已應(yīng)用在以手機為主的小尺寸液晶面板背光市場中，手機產(chǎn)量的持續(xù)增長帶動了背光源市場的快速發(fā)展。特別是 2020 年彩屏手機的出現(xiàn)更是推動白光 LED 市場的快速發(fā)展。但隨著手機產(chǎn)量進入平穩(wěn)增長階段以及技術(shù)提升導(dǎo)致用于手機液晶面板背光源LED 數(shù)量減少， 使得 LED 在手機背光源中用量增速放緩， 2020 年背光源用 LED 數(shù)量超過 12 億只，未來幾年增長率也將保持在個位數(shù)。數(shù)量增速的放緩加上平均價格的不斷下降，最終導(dǎo)致小尺寸背光源市場增長乏力，同時，中大尺寸背光源市場雖為廠商新寵，但在 2020 年還不能形成規(guī)模。在上述兩個因素的影響下，背光源市場將在 2020 年出現(xiàn) 1%的負(fù)增長。 2020 年背光源市場規(guī)模超過 15 億元。 應(yīng)用 3：汽車車燈市場潛力大。 2020 年中國 LED 汽車應(yīng)用市場規(guī)模為 億元，其中汽車車燈市場規(guī)模為 億元。從整個 LED 應(yīng)用市場看，汽車應(yīng)用市場還處于萌芽狀態(tài)，市場規(guī)模很小。 LED 作為汽車 車燈主要得益于低功耗、長壽命和響應(yīng) 速度快的特點。有統(tǒng)計顯示，在汽車以 100 公里的時速行駛下，裝有 LED 剎車燈的車輛較沒有裝 LED 剎車燈的車輛剎車距離將減少 7 英尺。目前， LED 己經(jīng)逐步應(yīng)用在汽車的第三剎車燈上。雖然 LED 目前還面臨著單位瓦數(shù)流明低以及相關(guān)政策的限制，在進入汽車尾燈及前燈市場還需要一定的時間，但是隨著成本性能 第 6 頁 比的下降以及發(fā)光效率的提升，最終 LED 將逐步實現(xiàn)從汽車內(nèi)部、后部到前部的轉(zhuǎn)移，最終占據(jù)整個汽車車燈市場。憑借著汽車的巨大產(chǎn)能， LED 車燈市場面臨著巨大的發(fā)展?jié)摿Α? 應(yīng)用 4：室內(nèi)裝飾燈市場逐步 啟動。室內(nèi)裝飾燈市場是 LED 的另一新興市場。通過 對 電流的控制， LED 可以實現(xiàn)幾百種甚至上千種顏色的變化。在現(xiàn)階段講究個性化的時代中， LED 顏色多樣化有助于 LED 裝飾燈市場的發(fā)展。 LED 已經(jīng)開始做成小型裝飾燈，裝飾幕墻應(yīng)用在酒店、居室中。 2020 年室內(nèi)裝飾燈市場規(guī)模達到 億元。經(jīng)過多年的替換工作，全國主要城市由傳統(tǒng)交通燈替換為 LED 交通燈的工作已 經(jīng)接近尾聲。 LED 交通燈市場在經(jīng)歷了多年的高速成長期后， 2020 年市場規(guī)模達到 億元。但是隨著替換工作的完成， LED 交通燈市場將不會再維持高速增長，預(yù)計 2020 年 LED 交通燈市場只實現(xiàn) %的增長，達到 億元。 應(yīng)用 5：景觀照明市場快速發(fā)展， 2020 年市場增速達到高峰。景觀照明市場主要以街道、廣場等公共場所裝飾照明為主，推動力量主要來自于政府。受到 2020年北京奧運會和 2020 年上海世博會的影響，北京、上海等舉辦地加快了景觀照明的步伐，由于 LED 功耗低，在用電量巨大的景觀照明市場中具有很強的市場競爭力。目前， LED 已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到景觀照明市場中。 2020 年中國景觀照明市場規(guī)模超過 7 億元，在上述兩個主要活動的帶動下，景觀照明市場會在 2020 年達到 72%的高增長率。此外，奧運會和世博會的主要作用遠遠不再于自身帶動景觀照明市場的成長，更重要的是其榜樣作用。為了迎接奧運會和世博會的召開，北京、青島、上海等地將建成一批 LED 景觀照明工程，這些工程在裝飾街道的同時還將起到示范作用。其他城市在看到 LED 在景觀照明中的出色表現(xiàn)會減少對 LED 景觀照明的使用顧慮，加快使用 LED 在景觀照明中的應(yīng)用。 LED 將會從一級城市快速向二級、三級城市擴展。 應(yīng)用 6： 通用照明市場路漫漫，任重而道遠。 對于進入通用照明市場而言， 白光 LED 除面臨著諸如發(fā)光效率低、散熱不好、成本過高等問題外 ，還將面臨到光學(xué)、機構(gòu)與電控等的整合以及 LED 照明產(chǎn)品通用標(biāo)準(zhǔn)的制訂。解決上述問題需 要很長的一段時間。由于酒店、商務(wù)會館、高檔商用寫字樓等商用場所對價格的敏感度低 ， 同時這些高檔場所更注重于彰顯品位與尊貴的地位，對于新興產(chǎn)品抱有更大的興趣度。這些都降低了 LED 照明進入的門檻。預(yù)計 LED 照明將率先進入商用市場，逐步向民用市場擴展。 LED 的發(fā)展趨勢 新型可見光 LED 單晶材料 以 AIGaInP 和 GaN 為主流。發(fā)展趨勢主要是實現(xiàn)全彩、提高亮度、改進封裝、顯示大型化。材料外延生長的新技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 、 金屬 第 7 頁 有機 化 臺物、 汽相淀積 （ MOCVD） 法的晶體生長工藝已成為當(dāng)代開發(fā)、生產(chǎn)新型LED， 實現(xiàn)全彩化、高亮化的關(guān)鍵技術(shù)。 （ 1） 全彩化 在實用化的可見光 LED 中缺少藍色，這是實現(xiàn)全彩化的一大難題，因為要實現(xiàn)全彩 （ 包括白色 ） 顯示，必須要有紅、綠、藍三基色，因而藍色 LED的發(fā)展一直受全彩顯示所驅(qū)動。多年來， 日、 美等國都在極力研究開發(fā)藍色 LED。1994 年日本日亞公司首先開發(fā)成功的藍色 LED 主要應(yīng)用于全色顯示屏，現(xiàn)在能夠銷售藍色 LED 的廠商只有日本日亞公司和美國 CREE 公司二家，但至今仍未形成大批量生產(chǎn)。改善藍色 LED 的晶體 材料質(zhì)量，提高發(fā)光效率，降低成本仍是今后發(fā)展的主要目標(biāo)。藍色 LED 剛問世時售價高達 50 美元 /只。 隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷改進，目前低亮度的藍色 LED 價格已降至 1 美元 /只，今后價格將繼續(xù)下跌。到 2020年藍色 LED 的亮度將和紅色、橙色、黃色、綠色 LED 不相上下，而且售價只有 10美分 /只。 （ 2） 高亮化 目前全球 LED 的產(chǎn)值中高亮度產(chǎn)品約 30%。至 2020 年，全球LED 的總產(chǎn)值可突破 億美元，其中高亮度產(chǎn)品，每年都會有 30%的增長，至于中低亮度的產(chǎn)品增長率不會超過 5%。再者超高亮度 （ 法向光強超過 1000mcd 者 ）之紅、橙、綠、藍色 LED 產(chǎn)品已進入市場，使一些戶外廣告板、超大型屏幕、交通指示燈、汽車尾燈、剎車燈、方向燈等應(yīng)用在擴大。 （ 3） 大型化 可見光 LED 之所以會出現(xiàn)這一發(fā)展趨勢，主要是為了滿足顯示器這一應(yīng)用領(lǐng)域的需求。與液晶顯示器相比，由于 LED 可以以并聯(lián)的方式聯(lián)結(jié)在一起，不受尺寸大小的限制，而且 LED 本身可發(fā)光。對于一些需配備大尺寸的產(chǎn)品而言，更希望一些大型化的 LED，目前顯示屏的最大尺寸為 10 15 ㎡。 （ 4） 封裝小型化 封裝小型化主要是指適合于表面安