GaN基化合物半導(dǎo)體材料技術(shù)和器件制造工藝的迅速發(fā)展已經(jīng)引起了全世界的密切關(guān)注，成了近期半導(dǎo)體光源技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)，是許多國(guó)家政府能源戰(zhàn)略關(guān)注的熱門技術(shù)。
近幾年間半導(dǎo)體光源已經(jīng)成為紅外波段的主要光源。然而,在可見光和紫外光光源領(lǐng)域，傳統(tǒng)的白熾燈和氣體放電燈仍占主導(dǎo)地位。最近幾年，由于GaN基化合物半導(dǎo)體材料技術(shù)和器件工藝等取得了突破性的進(jìn)展，把半導(dǎo)體光源的工作波長(zhǎng)從過去的紅外和近紅外波段拓寬到了可見光和紫外光波段。GaN光源器件的發(fā)光效率已經(jīng)提高，工作波長(zhǎng)已經(jīng)完全填滿了可見光波段，并擴(kuò)展到了紫外波段，成本正在大幅度地下降，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。
半導(dǎo)體LED光源的優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)的真空白熾燈泡等相比，半導(dǎo)體LED光源具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。
1．壽命長(zhǎng)、成本更低。半導(dǎo)體LED的工作壽命極長(zhǎng)，是傳統(tǒng)照明器具的10倍以上，有效降低了成本；
2．功耗低、發(fā)光效率高、節(jié)省能源，是未來能源戰(zhàn)略的合適候選者。如使用一個(gè)135W的白熾燈作12英寸的紅色交通信號(hào)燈，其產(chǎn)生的發(fā)光強(qiáng)度達(dá)2000流明以上，卻僅有大約200流明的光能穿過紅色濾光片，僅利用了其發(fā)光強(qiáng)度的十分之一，而用12個(gè)12W的紅光大功率半導(dǎo)體LED也可達(dá)到2000流明，但因不需使用濾光片而可以全部利用；而且用同樣的方法也可產(chǎn)生相同強(qiáng)度的琥珀色和綠色光。
3．半導(dǎo)體LED光源的體積小、重量輕、適應(yīng)性強(qiáng)，為設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了極大的靈活性；
4．由于白光大功率LED光源是固體燈泡，無需封裝在真空玻璃內(nèi)，因而耐沖擊和碰撞；
5．LED光源還是一種無污染的無汞光源，符合歐洲RoHS指令。
技術(shù)進(jìn)展
GaN化合物半導(dǎo)體（如InGaN)、SiC材料技術(shù)和器件工藝等方面的突破，導(dǎo)致了可見光和紫外光波段的半導(dǎo)體光源技術(shù)的飛速發(fā)展，使這種光源的應(yīng)用發(fā)生了革命性的變化。薄膜技術(shù)的進(jìn)步提高了發(fā)光效率和發(fā)光強(qiáng)度。圖1顯示了用InGaN材料制作的半導(dǎo)體LED的發(fā)射光波長(zhǎng)和色彩。
圖1. 用InGaN材料制作的LED
的發(fā)射光波長(zhǎng)和色彩。
半導(dǎo)體LED技術(shù)已經(jīng)從小芯片、低發(fā)光強(qiáng)度的指示器發(fā)展到了高功率、低功耗的光源。大型芯片的白光LED是一種革命性的發(fā)光技術(shù)，這種技術(shù)在發(fā)光效率和其它關(guān)鍵參數(shù)方面都已超過了許多普通的光源技術(shù)。圖2顯示出了半導(dǎo)體LED光源發(fā)光效率持續(xù)改進(jìn)的時(shí)間表，圖3是InGaN高效率發(fā)光不斷取得的進(jìn)展。這種薄膜LED采用了獨(dú)具一格的剝離工藝技術(shù)產(chǎn)生高效率、可控和頂部出光的結(jié)構(gòu)。
圖2. 半導(dǎo)體LED光源性能持
續(xù)改進(jìn)的時(shí)間表。
新的半導(dǎo)體光源
由于半導(dǎo)體LED光源技術(shù)的快速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了一系列新的LED光源產(chǎn)品。過去的幾年中已經(jīng)先后出現(xiàn)了硅和塑料透鏡一起封裝的大功率七色光LED和白光LED光源產(chǎn)品，壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高和功率大的半導(dǎo)體LED光源的前景非常光明，而且市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了這種大功率白光LED光源產(chǎn)品。
彩色半導(dǎo)體LED光源
單色可見光LED光源的壽命和單位使用成本（元/流明/小時(shí))能與傳統(tǒng)的白熾燈競(jìng)爭(zhēng)。因此，它們正在交通信號(hào)燈、汽車尾燈、車內(nèi)燈和液晶顯示器背光領(lǐng)域逐漸取代白熾燈紅、綠、藍(lán)混合的白光LED光源
把紅、綠、藍(lán)三色LED光源混合起來也能產(chǎn)生寬頻帶的白色光。白光LED光源的發(fā)光效率是通用白熾燈泡的2倍，單位使用成本只有后者的1/2。
圖3. InGaN高效率發(fā)光不斷取得
的進(jìn)展，發(fā)光效率持續(xù)提高。
目前存在的一個(gè)突出難題是，如何填補(bǔ)黃綠光波段，因?yàn)樵谠摬ǘ蔚陌l(fā)光效率極低。許多實(shí)驗(yàn)室都極為重視研發(fā)一種含In量高的GaInN合金材料，這種材料最有希望填補(bǔ)該波段。
紫外發(fā)光LED光源
這種LED光源還遠(yuǎn)不如可見光LED光源成熟，但是正在快速發(fā)展。已經(jīng)開始應(yīng)用到的一些領(lǐng)域，如生物介質(zhì)檢測(cè)、錢幣特征識(shí)別、微生物細(xì)菌污染水的凈化、牙科和材料醫(yī)學(xué)（如環(huán)氧樹脂、粘合劑和墨水）、藥品、化妝品的的處理等。
這種技術(shù)目前所面臨的突出難題是如何了解和控制好含Al量高的AlGaN合金材料。
廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)
白光半導(dǎo)體LED光源是該領(lǐng)域的主流技術(shù)，其色彩方面的廣泛應(yīng)用和其自身固有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使之能與傳統(tǒng)的白熾燈相匹敵,而且壽命的延長(zhǎng)和電路與光學(xué)方面的進(jìn)展促進(jìn)了供應(yīng)商、中間商和相關(guān)配件廠商形成的產(chǎn)業(yè)鏈迅速擴(kuò)大,導(dǎo)致了LED產(chǎn)品銷售量的猛增。
LED光源已經(jīng)進(jìn)入了非常多的領(lǐng)域：
1．各類交通工具，包括小轎車、載重汽車、客車、軍用車輛、火車和飛機(jī)等是LED光源應(yīng)用的一個(gè)市場(chǎng)。LED光源在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用可以降低維修成本、延長(zhǎng)使用壽命、保證高亮度、減少功耗和發(fā)熱、具有飽和色度和設(shè)計(jì)靈活性。主要應(yīng)用功能分成兩個(gè)方面：內(nèi)部燈光和外部燈光照明。
內(nèi)部照明：包括開關(guān)、聲頻/氣候控制系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)、儀器儀表和駕駛員/乘客的車內(nèi)照明，儀器儀表讀數(shù)與地圖光照。絕大多數(shù)這些應(yīng)用都要求按鈕、隔離區(qū)和圖標(biāo)有背透光。這種照明通常是對(duì)駕駛室和乘客車廂進(jìn)行光照調(diào)整。
車輛的外部照明：外部汽車車燈應(yīng)用包括剎車燈、尾燈、轉(zhuǎn)向燈和前燈。
發(fā)光效率的提高、成本的不斷降低、供應(yīng)鏈的完善和工藝的進(jìn)步使新汽車以高于75%的增長(zhǎng)率安裝這種新出現(xiàn)的半導(dǎo)體LED光源。
2．城市交通、地鐵、公路、鐵路、港口和機(jī)場(chǎng)的信號(hào)指示燈和強(qiáng)光燈市場(chǎng)；
3．賓館、酒樓和酒吧等豪華建筑的燈光和內(nèi)外燈飾。
4．公共娛樂場(chǎng)所場(chǎng)所的燈光照明和彩燈裝飾；
5．建筑泛光照明和裝飾彩燈；
6．機(jī)器人視覺系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)和手機(jī)等的照明和顯示；
7．各種廣告牌和大面積視頻廣告牌以及地名標(biāo)識(shí)等。
隨著LED發(fā)光功率和產(chǎn)量的不斷提高，預(yù)期LED將不斷地?cái)U(kuò)展其在傳統(tǒng)發(fā)光技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
需要解決的問題與前景
盡管半導(dǎo)體LED光源應(yīng)用前景廣闊，但必須解決其高熱量的問題。
用多個(gè)大功率半導(dǎo)體LED光源組合成的LED發(fā)光燈泡或顯示屏幕會(huì)產(chǎn)生大量的熱。和絕大多數(shù)半導(dǎo)體元器件一樣，這種大功率的半導(dǎo)體LED光源在極高的工作溫度下會(huì)導(dǎo)致性能下降、可*性差和使用壽命縮短，因而對(duì)發(fā)熱量加以控制使其工作溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，是保證其最佳性能的關(guān)鍵。目前，絕大多數(shù)的大功率LED制造廠商都會(huì)向用戶提供LED熱管理和燈泡應(yīng)用指南，同時(shí)許多照明解決方案都對(duì)常用的電路板作了修改以便把LED和與之相匹配的光學(xué)器件安裝在一起。國(guó)內(nèi)外大功率半導(dǎo)體LED光源技術(shù)目前仍處于發(fā)展階段，要達(dá)到大批量生產(chǎn)和應(yīng)用，還存在價(jià)格問題，取代普遍使用的真空型白熾燈泡尚需若干年的時(shí)間。但是由于其性能對(duì)許多應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的吸引力，相信隨著這種技術(shù)的快速發(fā)展，將滲透到發(fā)光應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。 |
