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(kāi)始應(yīng)用于指示燈、數(shù)字和文字顯示。從此，LED開(kāi)始進(jìn)入多種應(yīng)用領(lǐng)域，包括宇航、飛機(jī)、汽車(chē)、工業(yè)應(yīng)用、通信、消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品等，遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)和千家萬(wàn)戶(hù)。到1996年，LED在全世界的銷(xiāo)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(chēng)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(hù)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(xiàn)，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(xiàn)，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(chē)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GaAsPGaP 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?xún)?nèi)的白熾燈，而且用LED陣列可以取代功率在150W以?xún)?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(mǎn)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(huà)。新一代紅、綠、藍(lán)超高亮度LED達(dá)到了前所未有的性能。