超高亮度LED的技术发展和应用分析

 1 引言

    LED已有近30年的发展历程。20世纪70年代，最早的GaP、GaAsP同质结红、黄、绿色低发光效率的LED已开始应用于指示灯、数字和文字显示。从此，LED开始进入多种应用领域，包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等，遍及国民经济各个部门和千家万户。到1996年，LED在全世界的销售额已达到几十亿美元。尽管多年以来LED一直受到颜色和发光效率的限制，但是由于GaP和GaAsP LED具有寿命长、可靠性高、工作电流小、可与TTL、CMOS数字电路兼容等许多优点，因而一直受到使用者的青睐。

    最近十年，高亮度化、全色化一直是LED材料和器件工艺技术研究的前沿课题。超高亮度（UHB）是指发光强度达到或超过 100mcd的LED，又称坎德拉（cd）级LED。高亮度A1GaInP和InGaNLED的研制进展得十分迅速，现已达到常规材料GaA1As、 GaAsP、GaP不可能达到的性能水平。1991年，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达到实用化。同年，东芝公司研制的InGaA1P 573nm黄绿色超高亮度LED的法向光强达2cd。1994年，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。

    我国发展LED起步于20世纪70年代，80年代形成产业。全国约有100多家企业，95％的厂家都从事后道封装生产，所需管芯几乎全部从海外进口。通过几个"五年计划"的技术改造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技术，使我国LED的生产技术已向前跨进了一步。北京、长春、南昌、上海、山东、河北等地的一些厂家，现已具有GaAs和GaP单晶、外延片、芯片的批量生产能力。由南昌746厂组建的欣磊光电公司的普亮LED 芯片生产线，1998年生产出管芯7亿只，1999年超过10亿只。信息产业部电子第13研究所下属的河北汇有电力电子公司和河北立德电子公司已分别建成InGaA1P超高亮度LED外延片和芯片生产线，1999年年底达到年产外延片1万片、芯片1亿只的生产能力，从而改变了我国超高亮度LED外延片、芯片全部从海外进口的局面。

    本文将对超高亮度InGaA1P LED和InGaN LED在汽车指示灯、交通信号灯、大屏幕显示、液晶显示（LCD）的背光照明等中的应用情况做一简要介绍。

    2 超高亮度LED的结构及性能

    超高亮度红A1GaAs LED与GaAsP、GaP LED相比，具有更高的发光效率，透明衬底（TS）A1GaAs LED （640nm）的流明效率已接近10lm/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）。InGaAlP LED吸收衬底（AS）的流明效率为101m/W，透明衬底（TS）为201m/W，在590nm～626nm的波长范围内比GaAsP、GaP LED的流明效率要高10倍～20倍；在560nm～570nm的波长范围内比GaAsP、GaP LED高出2倍～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450nm～480nm，蓝绿色为500nm，绿色为520nm；其流明效率为3m/W～151m/W。超高亮度LED目前的流明效率已超过带滤光片的白炽灯，可以取代功率1W以内的白炽灯，而且用LED阵列可以取代功率在150W以内的白炽灯。对于许多应用，白炽灯都是采用滤光片来得到红色、橙色、绿色和蓝色，而用超高亮度LED则可得到相同的颜色。近年，用AlGaInP材料和InGaN材料制造的超高亮度LED将多个（红、蓝、绿）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，用LED彩色大屏幕可以表现天空和海洋，实现三维动画。新一代红、绿、蓝超高亮度LED达到了前所未有的性能。

3 超高亮度LED的应用

    3.1 信息指示灯

    3.1.1 汽车信号指示

    汽车指示灯在车的外部主要是方向灯、尾灯和刹车灯；在车的内部主要是各种仪表的照明和显示。超高亮度LED用于汽车指示灯，与传统的白炽灯相比，具有许多优点，在汽车产业中有着广泛的市场。LED 能够经受较强的机械冲击和震动。平均工作寿命（MTBF）比白炽灯泡高出几个数量级，远远高出汽车本身的工作寿命，因此LED刹车灯可封装成一个整体，而不必考虑维修。透明衬底AlGaAs和AlInGaP LED与带有滤光片的白炽灯泡相比具有相当高的流明效率，这样，LED刹车灯和方向灯就能够在较低的驱动电流下工作，典型的驱动电流只有白炽灯的1/4。较低的功率还可降低汽车内部线路系统的体积和重量，同时还可减小集成化的LED信号灯的内部温升，允许透镜和外罩使用耐温性能较低的塑料。LED刹车灯的响应时间为100ns，比白炽灯的响应时间短，这样便给司机留下了更多的反应时间，从而提高了行车的安全保证。汽车的外部指示灯的照度及颜色均有明确规定。汽车的内部照明显示虽不像外部信号灯那样受到政府有关部门的控制，但汽车的制造者对LED的颜色及照明度有要求。GaP LED早已用于车内，超高亮度AlGaInP和InGaN LED由于在颜色和照明度上可满足制造者的要求，因而将更多地取代车内白炽灯。从价格上看，尽管LED灯与白炽灯相比还是较贵的，但从整个系统来看，二者的价格并没有明显的差别。随着超高亮度TSAlGaAs和AlGaInP LED实用化的发展，最近几年价格一直在不断降低，今后降低的幅度还会更大。

    3.1.2 交通信号指示

    用超高亮度LED取代白炽灯，用于交通信号灯、警示灯、标志灯现已遍及世界各地，市场广阔，需求量增长很快。根据美国交通部门 1994年的统计，美国安装交通信号灯的十字路口有26万个，每个十字路口至少要有12个红色、黄色、蓝绿色信号灯。许多十字路口还有一些附加的转变标志和跨越马路的人行横道警示灯。这样，每个十字路口可能有20个信号灯，而且要同时发光。由此可推算出美国全国约有1.35亿个交通信号灯。目前采用超高亮度LED取代传统的白炽灯降低电力损耗已取得明显效果。每年在交通信号灯上的耗电量约为100万千瓦，采用超高亮度LED取代白炽灯后，其耗电量仅为原来的12％。

    对交通信号灯，每个国家的主管部门都要制定相应的规范，规定信号的颜色、最低的照明强度，光束空间分布的图样以及对安装环境的要求等。尽管这些要求是按白炽灯编写的，但对目前采用的超高亮度LED交通信号灯基本上是适用的。

    LED交通信号灯与白炽灯相比，工作寿命较长，一般可达到10年，考虑到户外恶劣环境的影响，预计寿命要减少到5年～6年。目前超高亮度AlGaInP红、橙、黄色LED已实现产业化，价格也比较便宜，若用红色超高亮度LED组成的模块取代传统的红色白炽交通信号灯头则可将因红色白炽灯突然失效给安全造成的影响降低到最低程度。一般LED交通信号模块由若干组串联的LED单灯组成，以12英寸的红色LED交通信号模块为例，在3组～9组串联的LED单灯，每组串联的LED单灯数为70个～75个（总数为210个～675个LED单灯），当有一个LED单灯失效时，只会影响一组信号，其余各组减小到原来的2/3（67％）或8/9（89％），并不会像白炽灯那样使整个信号灯头失效。

    LED交通信号模块存在的主要问题是造价仍然显得高些，以12英寸的TS－AlGaAs红色LED交通信号模块为例，最早应用于1994年，其造价为350＄，而到1996年，性能更好的12英寸的AlGaInP LED交通信号模块，造价为200＄。预计不会很久，InGaN蓝绿色LED交通信号模块的价格将可与AlGaInP相比。白炽交通信号灯头的造价虽低，但耗电量大，一个直径为12英寸的白炽交通信号灯头的耗电量为150W，横过马路人行道的交通警示灯的耗电量为67W，据计算，每个十字路口的白炽信号灯每年的耗电量为18133kWh，折合每年的电费为1450＄；然而，LED交通信号模块非常省电，每个8英寸～12英寸的红色LED交通信号模块的耗电量分别为15W和20W，十字路口拐弯处的LED标志可用箭头开关显示，耗电量仅有9W，据计算，每个十字路口每年可省电9916kWh，相当每年节省电费793＄。按每个LED交通信号模块的平均造价为200＄计，红色LED交通信号模块仅用其节省的电费，3年后即可收回最初的成本造价，并开始不断得到经济回报。因此目前使用AlGaInP LED交通信息模块，尽管造价显得高些，但从长远看，还是合算的。 3.2 大屏幕显示

    大屏幕显示是超高亮度LED应用的另一个巨大市场，包括图形、文字、数字的单色、双色和全色显示。传统的大屏幕有源显示一般采用白炽灯、光纤、阴极射线管等；无源显示一般采用翻牌的方法。LED显示曾一直受到LED本身性能和颜色的限制。如今，超高亮度AlGaInP、TS－ AlGaAs、InGaN LED已能够提供明亮的红、黄、绿、蓝各种颜色，可完全满足全色大屏幕显示的要求。LED显示屏可按像素尺寸装配成各种结构，小像素直径一般小于5mm，单色显示的每个像素用一个T－1（3/4）的LED灯，双色显示的每个像素为双色的T－1（3/4）的LED灯，全色显示则需要3个T－1红、绿、蓝色灯，或者装配一个多芯片的T－1（3/4）的LED灯作为一个像素。大像素则是通过把许多T－1（3/4）红、绿、蓝色LED灯组合在一起构成的。用 InGaN(480nm)蓝、InGaN(515nm)绿和AsAlGaAs(637nm)红LED灯作为LED显示的三基色，可以提供逼真的全色性能，而且具有较大的颜色范围，包括蓝绿、绿红等，与国际电视系统委员会（NTSC）规定的电视颜色范围基本相符。

    3.3 液晶显示（LCD）的背照明

    在液晶显示中至少有10％采用有源光作为背照明，光源可使LCD显示屏在黑暗的环境下易读，全色LCD显示也需要光源。LCD背照明所需的光源主要有白炽灯泡、场致发光、冷阴极荧光、LED等，其中LED在LCD背照明中最有竞争力，新型的超高亮度AlGaInP、AlGaAs、 InGaN LED可以提供高效率的发光和宽范围的颜色。

    LED用于LCD背照明主要有3种方式。（1）最简单的是把LED灯直接安装在LCD散射膜的后面，可用许多封装的LED灯，它们应当具有非常宽的光束角，以使轴向光的均匀性较好。也可以采用未封装的管芯，一般用GaP LED，然而用AlGaInP、TS－AlGaAs LED则可在小电流下工作，减小功耗。（2）另一种方式是边缘光LCD背照明，用一个透明或半透明的矩形塑料块作为导光体，将其直接安装在LCD散射膜的后面，塑料块的后表面涂上白色反光材料，LED光从塑料块的一个侧边射入，其余侧边作成白色反光材料。（3）将LED发出的光导入光纤束之中，光纤束的散射膜后面构成一个平坦的薄片，可以用不同的方法将光从薄片中取出作为LCD的背照明。采用LED作为背照明的液晶显示器可用于移动电话、笔记本电脑。随着小型液晶显示器在节电型通信产品中的广泛使用，将会对超高亮度LED有更大的需求。

    3.4 固体照明灯

    全色超高亮度LED的实用化和商品化，使照明技术面临一场新的革命，由多个超高亮度红、蓝、绿三色LED制成的固体照明灯不仅可以发出波长连续可调的各种色光，而且还可以发出亮度可达几十烛光到一百烛光的白色，成为照明光源。最近，日亚公司利用其InGaN蓝光LED和荧光技术，又推出了白光固体发光器件，其色温为6500K，效率达每瓦7.5流明。对于相同发光亮度的白炽灯和LED固体照明灯来说，后者的功耗只占前者的10％～20％，白炽灯的寿命一般不超过2000小时，而LED灯的寿命长达数万小时。这种体积小、重量轻、方向性好、节能、寿命长、耐各种恶劣条件的固体光源必将对传统的光源市场带来冲击。尽管这种新型照明固体光源的成本依然偏高，但可以应用于一些特殊场合，如矿山、潜水、抢险、军用装置的照明等。从长远看，如果超高亮度LED的生产规模进一步扩大，成本进一步降低，其节能和长寿命的优势足以弥补价格偏高的劣势。超高亮度LED将有可能成为一种很有竞争力的新型电光源。

    4 结束语

    超高亮度LED的问世和产业化不仅拓展了原有的应用领域，而且将有一个潜力巨大的市场。今后几年InGaNLED随着规模生产技术的完善和产品成本的降低，价格将和AlGaInPLED相近。到那时，我国的LED产业将具有一定规模和参与国际竞争的能力，超高亮度LED在我国将会有一个大发展。