摘 要:文章簡述了超高亮度LED技術的發展歷程和目前的技術水平,在超高亮度LED技術中所出現的新材料和新的制造工藝以及當前各國的發展水平。重點分析了目前超高亮度LED技術在信號指示、圖形顯示、照明等技術領域中的應用和實用化產品的普及情況,并且對超高亮度LED技術的未來應用進行了展望。
關鍵詞:LED;A1GaInP;InGaNLED;液晶
0 引言
新型發光材料LED,目前正在逐漸顯現出良好的發展前景,各國都投入了大量的人力和物力進行研究,其工藝技術和材料也在迅猛發展,應用的領域也在不斷的拓寬,本文將對此展開綜述。
1 超高亮度LED的發展歷程
世界上第一個商用二極管產生于1960年。LED是英文lightemittingdiode(發光二極管)的縮寫。20世紀70年代,最早的GaP、GaAsP同質結紅、黃、綠色低發光效率的LED已開始應用于指示燈、數字和文字顯示。從此,LED開始進入多種應用領域,包括宇航、飛機、汽車、工業應用、通信、消費類產品等,遍及國民經濟各個部門和千家萬戶,具有壽命長、可靠性高、工作電流小、可與TTL、CMOS數字電路兼容等許多優點,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研究的前沿課題。超高亮度(UHB)是指發光強度達到或超過100mcd的LED,又稱坎德拉(cd)級LED。高亮度A1GaInP和InGaNLED的研制進展得十分迅速,現已達到常規材料GaA1As、GaAsP、GaP不可能達到的性能水平。1991年,日本東芝公司和美國HP公司研制成InGaAlP620nm橙色超高亮度LED,1992年,InGaAlP590nm黃色超高亮度LED達到實用化。同年,東芝公司研制的In2GaA1P573nm黃綠色超高亮度LED的法向光強達2cd。1994年,日亞公司研制成InGaN450nm藍(綠)色超高亮度LED。至此,彩色顯示所需的三基色紅、綠、藍以及橙、黃多種顏色的LED都達到了坎德拉級的發光強度,實現了超高亮度化、全色化,使發光管的戶外全色顯示成為現實。
我國發展LED起步于20世紀70年代,80年代形成產業。全國約有100多家企業,95%的廠家都從事后道封裝生產,所需管芯幾乎全部從海外進口。通過幾個“五年計劃”的技術改造、技術攻關、引進國外先進設備和部分關鍵技術,使我國LED的生產技術已向前跨進了一步。北京、長春、南昌、上海、山東、河北等地的一些廠家,現已具有GaAs和GaP單晶、外延片、芯片的批量生產能力,從而改變了我國超高亮度LED外延片、芯片全部從海外進口的局面。下文將對超高亮度InGaA1PLED和InGaNLED的原理、結構、性能,在汽車指示燈、交通信號燈、大屏幕顯示、液晶顯示(LCD)的背光照明、固體照明等領域中的應用情況逐一闡明。
2 超高亮度LED的原理、結構及性能
它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料,置于一個有引線的架子上,然后四周用環氧樹脂密封,起到保護內部芯線的作用,所以LED的抗震性能好。發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片,在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層,稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中,注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓,少數載流子難以注入,故不發光。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管,通稱LED。當它處于正向工作狀態時(即兩端加上正向電壓),電流從LED陽極流向陰極時,半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線,光的強弱與電流有關。
超高亮度紅A1GaAsLED與GaAsP2GaPLED相比,具有更高的發光效率,透明襯底(TS)A1GaAsLED(640nm)的流明效率已接近10lmΠW,比紅色GaAsP2GaPLED大10倍。超高亮度InGaAlPLED提供的顏色與GaAsP2GaPLED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)。InGaAlPLED吸收襯底(AS)的流明效率為101mΠW,透明襯底(TS)為201mΠW,在590nm-626nm的波長范圍內比GaAsP2GaPLED的流明效率要高10-20倍;在560nm-570nm的波長范圍內比GaAsP2GaPLED高出2-4倍。超高亮度InGaNLED提供了藍色光和綠色光,其波長范圍:藍色為450nm-480nm,藍綠色為500nm,綠色為520nm;其流明效率為3mΠW-151mΠW。超高亮度LED目前的流明效率已超過帶濾光片的白熾燈,可以取代功率1W以內的白熾燈,而且用LED陣列可以取代功率在150W以內的白熾燈。對于許多應用,白熾燈都是采用濾光片來得到紅色、橙色、綠色和藍色,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(紅、藍、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,目前其發光效率均已超過白熾燈,正向熒光燈接近。發光亮度已高于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天空和海洋,實現三維動畫。新一代紅、綠、藍超高亮度LED達到了前所未有的性能。
3 超高亮度LED技術的應用領域
3.1 交通信號指示
用超高亮度LED取代白熾燈,用于交通信號燈、警示燈、標志燈現已遍及世界各地,目前采用超高亮度LED取代傳統的白熾燈降低電力損耗已取得明顯效果。對交通信號燈,每個國家的主管部門都要制定相應的規范,規定信號的顏色、最低的照明強度、光束空間分布的圖樣以及對安裝環境的要求等。盡管這些是按白熾燈要求編寫的,但對目前采用的超高亮度LED交通信號燈基本上是適用的。
LED交通信號燈與白熾燈相比,工作壽命較長,一般可達到10年,考慮到戶外惡劣環境的影響,預計壽命要減少到5-6年。目前超高亮度AlGaInP紅、橙、黃色LED已實現產業化,價格也比較便宜,若用紅色超高亮度LED組成的模塊取代傳統的紅色白熾交通信號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交通信號模塊由若干組串聯的LED單燈組成,以12英寸的紅色LED交通信號模塊為例,在3-9組串聯的LED單燈,每組串聯的LED單燈數為70-75個(總數為210-675個LED單燈),當有一個LED單燈失效時,只會影響一組信號,其余各組減小到原來的2Π3(67%)或8Π9(89%),并不會像白熾燈那樣使整個信號燈頭失效。
LED交通信號模塊存在的主要問題是造價仍然顯得高些,但是隨著生產規模的逐漸擴大和新材料和新工藝的發展,成本必然會逐漸降低。白熾交通信號燈頭的造價雖低,但耗電量大,一個直徑為12英寸的白熾交通信號燈頭的耗電量為150W,橫過馬路人行道的交通警示燈的耗電量為67W,據計算,每個十字路口的白熾信號燈每年的耗電量為18133kWh;然而,LED交通信號模塊非常省電,每個8-12英寸的紅色LED交通信號模塊的耗電量分別為15W和20W,十字路口拐彎處的LED標志可用箭頭開關顯示,耗電量僅有9W,據計算,每個十字路口每年可省電9916kWh。因此目前使用AlGaInPLED交通信息模塊,盡管造價顯得高些,但從長遠看,還是合算的。
3.2 大屏幕顯示
大屏幕顯示是超高亮度LED應用的另一個巨大市場,包括圖形、文字、數字的單色、雙色和全色顯示。傳統的大屏幕有源顯示一般采用白熾燈、光纖、陰極射線管等;無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、InGaNLED已能夠提供明亮的紅、黃、綠、藍各種顏色,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構,小像素直徑一般小于5mm,單色顯示的每個像素用一個T-1(3Π4)的LED燈,雙色顯示的每個像素為雙色的T-1(3Π4)的LED燈,全色顯示則需要3個T-1紅、綠、藍色燈,或者裝配一個多芯片的T-1(3Π4)的LED燈作為一個像素。大像素則是通過把許多T-1(3Π4)紅、綠、藍色LED燈組合在一起構成的。用InGaN(480nm)藍、InGaN(515nm)綠和AsAlGaAs(637nm)紅LED燈作為LED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,包括藍綠、綠紅等,與國際電視系統委員會(NTSC)規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、場致發光、冷陰極熒光、LED等,其中LED在LCD背照明中最有競爭力,新型的超高亮度AlGaInP、AlGaAs、InGaNLED可以提供高效率的發光和寬范圍的顏色。
LED用于LCD背照明主要有三種方式。最簡單的是把LED燈直接安裝在LCD散射膜的后面,可用許多封裝的LED燈,它們應當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GaPLED,然而用AlGaInP、TS-Al2GaAsLED則可在小電流下工作,減小功耗。另一種方式是邊緣光LCD背照明,用一個透明或半透明的矩形塑料塊作為導光體,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光從塑料塊的一個側邊射入,其余側邊作成白色反光材料。第三種是將LED發出的光導入光纖束之中,光纖束的散射膜后面構成一個平坦的薄片,可以用不同的方法將光從薄片中取出作為LCD的背照明。采用LED作為背照明的液晶顯示器可用于移動電話、筆記本電腦。隨著小型液晶顯示器在節電型通信產品中的廣泛使用,將會對超高亮度LED有更大的需求。3.4 固體照明燈
全色超高亮度LED的實用化和商品化,使照明技術面臨一場新的革命,由多個超高亮度紅、藍、綠三色LED制成的固體照明燈不僅可以發出波長連續可調的各種色光,而且還可以發出亮度可達幾十燭光到一百燭光的白色,成為照明光源。最近,日本日亞公司利用其InGaN藍光LED和熒光技術,又推出了白光固體發光器件,其色溫為6500K,效率達每瓦7.5流明。對于相同發光亮度的白熾燈和LED固體照明燈來說,后者的功耗只占前者的10%-20%,白熾燈的壽命一般不超過2000小時,而LED燈的壽命長達數萬小時。這種體積小、重量輕、方向性好、節能、壽命長、耐各種惡劣條件的固體光源必將對傳統的光源市場帶來沖擊。盡管這種新型照明固體光源的成本依然偏高,但可以應用于一些特殊場合,如礦山、潛水、搶險、軍用裝置的照明等。從長遠看,如果超高亮度LED的生產規模進一步擴大,成本進一步降低,其節能和長壽命的優勢足以彌補價格偏高的劣勢。超高亮度LED將有可能成為一種很有競爭力的新型電光源。
3.5 閃光燈
數碼相機正逐漸替代用膠卷的相機,在數碼相機中采用超高亮度的白光LED替代了傳統的氙燈。采用超高亮度的白光LED作閃光燈不僅電路簡單、尺寸小、耗電省,而且無須充電時間。例如,1W白光LEDXL7090WHT,它在用作閃光燈時,700mA的脈沖電流時其典型光通量為98lm。
4 結語
超高亮度LED的問世和產業化不僅拓展了原有的應用領域,而且將有一個潛力巨大的市場。今后幾年InGaNLED隨著規模生產技術的完善和產品成本的降低,價格將和AlGaInPLED相近。到那時,我國的LED產業將具有一定規模和參與國際競爭的能力,超高亮度LED在我國將會有一個大發展。