■  李春茂  华南理工大学电力学院

 

 

 

      最近几年高亮度algainp和ingan  led的研制进展非常迅速，已经达到常规材料gaalas、gaasp、gap难以达到的性能水平。1991年日本东芝公司和美国hp公司研制成ingaalp 620nm橙色超高亮度led，1992年ingaalp 590nm黄色超高亮度led实用化。同年，东芝公司研制ingaalp 573nm黄绿色超高亮度led，法向光强达2cd。1994年日本日亚公司研制成ingan 450nm蓝（绿）色超高亮度led。至此，彩色显示所需要的三基色红、绿、蓝以及橙、黄多种颜色的led都达到了坎德拉级的发光强度，实现了超高亮度化、全色化，使发光管的户外全色显示成为现实。

      超高亮度红色algaasled与gaasp-gap led相比，具有更高的发光效率，透明衬底（ts）algaas led(640nm)的流明效率已接近10 lm/w,比红色gaasp-gap led大10倍。超高亮度ingaalp led提供的颜色与gaasp-gap led相同，包括：绿黄色（560nm）、浅绿黄色（570nm）、黄色（585nm）、浅黄（590nm）、橙色（605nm）、浅红（625nm）、深红（640nm）。透明衬底algainp led发光效率与其他led结构及白炽光源的比较，algainp led吸收衬底（as）的流明效率为101m/w,透明衬底（ts）为201m/w,在590?626nm的波长范围内比gaasp－gap led的流明效率要高10?20倍，在560?579nm的波长范围内则比gaasp-gap led高出2?4倍。超高亮度ingan led提供了蓝色光和绿色光，其波长范围蓝色为450?480nm，蓝绿色为500nm,绿色为 520nm；其流明效率为3?151m/w。超高亮度led目前的流明效率已超过了带滤光片的白炽灯，可以取代功率1w以内的白炽灯，而且用led阵列可以取代功率150w以内的白炽灯。

      磷化铝镓铟发光二级管方面，目前在红光部分最佳的发光效率已超过100lm/w，美国lumileds的截顶倒金字塔形(truncated inverted pyramid，简称 tip)结构发光二极管，德国osram公司的薄膜型发光二极管(thin-film led)以及晶元光电的胶结合型(glue bonding，简称gb) 发光二极管在红色波长部分都可以达到100 lm/w以上的效率，由于磷化铝镓铟红色发光二极管的内部量子效率已大于90%甚至接近100%，但目前最佳的外部量子效率约在50%左右，也就是目前光的取出效率还不到50%，因此在磷化铝镓铟红色发光二极管方面未来的努力方向将是如何提高发光效率。

 

      目前，我国生产的高亮度发光二极管的管芯大多是进口的。为解决这个问题，国内研制成gaalas双异质结高亮度红色发光二极管，光强达到400mcd(毫坎)。研制高亮度红色发光二极管，关键在于提高其量子效率。普通亮度红色发光二极管的外部量子效率仅0.2%，而超高亮度红色发光二极管的外部量子效率可达15? 20%。量子效率涉及发光二极管所采用的材料、结构及加工技术等各方面。

      目前大量生产的普通亮度红色发光二极管采用的材料主要是gap(或gaasp)。这是一种间接跃迁材料，发光效率不高。高亮度红色发光二极管必须采用直接跃迁材料，现在一般都选用gaalas，其发光效率高，而且不同组份的gaalas材料的晶格常数很接近，易于加工。

 

      目前，从红色、黄色、橙色到绿色的发光二极管已经得到广泛的应用，但是蓝色发光二极管却是近些年才开发研制出来的。被称为“世纪发明”的蓝色发光二极管是一种发蓝光的半导体。曾有人预言该发明在20世纪是不可能完成的，但在1993年，日本日亚化学工业公司员工中村修二成功地研制出了此半导体元件，并完成了蓝色发光二极管的商业化工作。

      led的发光颜色由其发射波长决定，而发射波长取决于所采用的材料的能级带宽与掺杂浓度。不同光色的led的峰值波长是不同的。与其它颜色的led比较，蓝色led的峰值波长最短， 约为450?490nm。蓝色led的心脏是芯片，但该种芯片的外延生长与硅器件比较，要困难得多。外延生长技术是制造蓝色led的关键工艺。蓝光器件的结构已从单异质结构(sh结构)过度到双异质结构(dh结构)。由于不同元素原子半径不一样，晶格不匹配，而且材料之间的热膨胀系数也不一样，往往需要在两层材料之间生长一层过渡层，成为三层双异质结构。在外延生长过程中，对杂质的控制要求更加严格。微量杂质可能导致非辐射跃迁和荧光猝灭，使器件发光效率下降，或者根本就不能发光。发光的波长是组份的函数，所以，对生长层的组份必须严加控制就不会获得所需的光色。此外，各层的厚度与发光效率密切相关，故应正确选择并严格控制。

      氮化镓(gan)及其合金(algainn)是非常有用的发射波长在蓝、绿光区至紫外区的光电材料和耐高温的电子材料。目前蓝、绿光发光二极管(led)是iii族氮化物的主要应用领域。它们与algaas的红光led构成的三原色使全彩色led大屏幕户外显示成为可能。然而gan基材料生长的技术难度较大，特别是作为有源区的gainn，当in含量高时生长更加困难。

 

      2001年，根据日本科学技术振兴事业团的细野透明电子活性计划，采用陶瓷材料的透明的金属氧化物研制成紫外线发光二极管。

      2003年，加拿大bivar公司研制成了一种大功率紫外发光二极管(led)。该led以多芯片和组合阵列器件构成。led每块芯片的标准辐射通量为12mw，标准稳定波长为400nm。整个器件封装在全金属和玻璃to-92壳体内。在工作电流为30ma条件下，这种led可连续工作2000多小时。

      2004年，美国科学家成功制造出波长255nm、功率0.57w以及波长250nm、功率0.16w的紫外发光二极管(led)。该研究小组希望藉由覆晶接合(flip-chip bonding)能将功率等级提高3到5倍。此波段的极深紫外光(ultradeep ultraviolet，uduv)光源未来可能取代水银灯泡，作为生物与化学传感器的激发光源。

      2006年，三名日本科学家宣称，发明了一种紫外线发光二极管（led），由此可能开发出数据存储能力强大的新一代光盘。他们在最新一期英国《自然》周刊上发表文章说，这种led在能谱紫外线区域深处发挥作用，波长只有210纳米，是同类装置中波长最短的。日本电信电话公司基础研究实验室的科学家们发明新型led的材料基础是掺有硅或镁的氮化铝。

我国传统的紫外灯是采取汞蒸气放电办法以获取紫外光源。与其相比，紫外发光二极管发光的紫外光光子能量大，是一种新的半导体光电器材，符合环保要求。紫外发光二极管直径小于５毫米，寿命在10万小时，比紫外灯长100倍，具有单色性好、体积小、寿命长、响应速度快、可靠性高等特点。紫外发光二极管部分替代气体放电的紫外灯，就像半导体晶体管部分替代真空电子管一样具有深远意义。

 

      高亮度发光二极管正在强光信号灯的很多应用中替代滤色白炽灯，例如交通信号灯、汽车信号灯以及各类安全和应急信号灯。

      交通灯是高亮度发光二极管的第一种大规模应用，这个应用给了固体照明工业一个巨大推进。在20世纪90年代初，当只有长波发光二极管可用于强光信号照明时，这些器件被准许应用在红色“停”交通信号灯和橙色“止步”行人信号。尽管价格较高，红色发光二极管光源还是带来经济效益，因为它们的占空因数为65%。第一个交通灯中含有数百个管芯，排列为具有点状外观的组合。先进的光源可能只含有几十个高效发光二极管，并配备有附属的塑料光学元件使发射场均匀。尽管绿色“行”灯头仍比红的贵很多，且琥珀黄的“注意”信号工作因数只有3%，全固体交通灯仍被积极推广和安装。

      汽车信号灯是固体照明一个有前途的大规模应用领域。高亮度发光二极管的性能足以取代汽车信号灯（停、尾灯、前后转向灯、侧标志灯和高位刹车灯）中的所有传统光源。这意味着一辆汽车可以安装几百个发光二极管。因为全球每年轿车和卡车的产量是6千万辆，汽车信号为高亮度发光二极管提供了一个巨大的市场。在汽车信号系统中用发光二极管替代白炽灯的过程已经开始。但是，这个过程强烈地依赖发光二极管价格的降低，因为大多数汽车制造商都要求廉价的技术方案。

      汽车发光二极管信号灯的优点包括长寿命、低功耗、能持续使用和短开关时间。实际上，固体灯是“永久”的，因为它们的寿命超过了汽车的有效寿命。因此，消除了更换费用，无需维护，空间和重量的要求也达到最小化。较少的功耗需要更小的发电机，导线的截面和重量也可以减小。在全部或部分电动汽车（混合型、燃料电池或蓄电池汽车）中，能量转换效率更加重要。汽车发光二极管信号灯在安全上也有好处。首先，几乎排除了信号灯突然失效的问题；其次，发光二极管刹车灯具有立即打开的特点，而与之相比较，白炽灯灯丝发亮需要0.1s。这就改善了前面的车刹车时驾驶员的反应时间，减少了几米长额外的停车车距。

      各种警示灯广泛应用于公路（越野的机动车、卡车等）、飞机、高层建筑、工业设施，车道安全照明，航海照明，以及潜在的危险环境。警示灯通常在闪烁的方式下工作，不同于白炽光源，这种工作方式不会引起发光二极管劣化。由于功率和维修上的节约、高可靠性、长寿命和持续工作，高亮度发光二极管迅速渗透到这个领域。置换普通白炽灯一个有效益的例子是用于各类浮标、航行装置和渔业标志的太阳能航行照明。这种无维修光源有相关的各种颜色，红色、黄色、绿色和白色。发光二极管航行灯可提供数百坎德拉的发光强度，保证在4?6n mile范围内可见。由于需要较小的电池和太阳能板，浮标对风的负荷减轻而且重心比较低，更容易保持在稳定位置上。另几个例子是手持安全电筒和闪光安全背心，后者使穿者像高速公路修建那样的危险的工作环境中有高可见度（dixon 2000）。

      机场照明系统由嵌在跑道上的低强度跑道和滑行道标志构成。典型情况是2cd蓝色灯和20cd绿色灯用于滑行道边缘和中心线照明。固体照明技术提供了一种以单个绿色和蓝色alingan芯片或者小的发光二极管串为基础的高可靠、低维修率的标志。具有前景的一种解决方案是把一系列相距很近的发光二极管组装在一起提供连续标志光的光带系统。

      很多不再交叉路口的人行横道没有配备信号灯，需要改善安全状况。lewin o’farrell（2000）叙述了一种以发光二极管为基础的人行横道警示系统，该系统应用了在人行道上高定向性的路面标示。这个系统含有琥珀黄色发光二极管，当行人出现在人行横道上时开始闪烁。闪烁的黄色发光二极管也可以集成到人行道附设的警示标志中。评估和测试表明，这个系统对提高驾驶者特别是低可见度下的警惕性具有积极效果。

      高亮度发光二极管的发光强度足以显示远距离观察或阳光直射下的信息。成熟的algainp和alingn技术使发光二极管显示器变成现实。

      明亮的发光二极管可变信息显示器是手表和计算器用字符显示器的后裔，广泛用于广告、商业信息、体育场中成绩显示和机场、火车及汽车站的旅行信息显示。这类显示器还用于显示温度和时间，并为驾驶员提供路面和停车信息。

      目前，全色大屏幕电视是高亮度发光二极管最主要的应用。alingan绿色和蓝色发光二极管出现后不久，东京市区和纽约曼哈顿就首先安装了这种大屏幕电视。后来，发光二极管巨型屏幕在广告业中得到很多应用，并且很快就成为娱乐场合体育馆一个不可分割的部分。因为需要快速开关，以往只有阴极射线管可用于大屏幕电视。发光二极管大屏幕由于具有高亮度、只需低压驱动电路、功耗低、重量轻、寿命长并且坚固耐用的优点，已广泛用于大屏幕电视。阴极射线管大屏幕技术已经陈旧，特别是对于户外装置。

 

      近年algainp材料和ingan材料制造的超高亮度led芯片组合在一起，不用滤光片也能得到各种颜色。包括红、橙、黄、绿、蓝，目前其发光效率均已超过白炽灯，正向荧光灯接近。发光亮度已高于1000mcd，可满足室外全天候、全色显示的需要，新一代红、绿、蓝超高亮度led达到了前所未有的性能。目前，纯绿、纯蓝发光二极管的研制成功，使发光二极管的全彩化已成为现实。相对于传统标志灯一般通过有色透射材料实现各种色彩组合，发光二极管的颜色更为明亮艳丽，色系更加丰富齐全，为进一步优化led标志的视觉性能提供了可能。单色光led除上述应用，还在生物医学、电视舞台、特种照明以及电磁学实验教学等多种领域有着广泛的应用。

 

作者简介

李春茂，华南理工大学电力学院副教授，硕士生导师，主要研究领域为射频技术、光电技术。