淺談超高亮度LED及應(yīng)用

　1970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、工業(yè)應(yīng)用、通信、消費(fèi)類產(chǎn)品等，遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門和千家萬(wàn)戶。到1996年LED在全世界的銷售額已達(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，但由于GaP和GaAsPLED具有長(zhǎng)壽命、高可靠性，工作電流小、可與TTL、CMOS數(shù)字電路兼容等許多優(yōu)點(diǎn)因而卻一直受到使用者的青瞇。

　　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，又稱坎德拉(cd)級(jí)LED。高亮度A1GaInP和InGaNLED的研制進(jìn)展十分迅速，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年日本東芝公司和美國(guó)HP公司研制成InGaA1P620nm橙色超高亮度LED，1992年InGaA1p590nm黃色超高亮度LED實(shí)用化。同年，東芝公司研制InGaA1P573nm黃綠色超高亮度LED，法向光強(qiáng)達(dá)2cd。1994年日本日亞公司研制成InGaN450nm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)光管的戶外全色顯示成為現(xiàn)實(shí)。我國(guó)發(fā)展LED起步于七十年代，產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)于八十年代。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國(guó)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。

　　一、超高亮度LED的性能：

　　超高亮度紅A1GaAsLED與GaAsP-GaPLED相比，具有更高的發(fā)光效率，透明襯低(TS)A1GaAsLED(640nm)的流明效率已接近10lm/w，比紅色GaAsP-GaPLED大10倍。超高亮度InGaAlPLED提供的顏色與GaAsP-GaPLED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)。透明襯底A1GaInPLED發(fā)光效率與其它LED結(jié)構(gòu)及白熾光源的比較，InGaAlPLED吸收襯底(AS)的流明效率為101m/w，透明襯底(TS)為201m/w，在590-626nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)比GaAsP-GaPLED的流明效率要高10-20倍;在560-570的波長(zhǎng)范圍內(nèi)則比GaAsP-GaPLED高出2-4倍。超高亮度InGaNLED提供了蘭色光和綠色光，其波長(zhǎng)范圍蘭色為450-480nm，蘭綠色為500nm，綠色為520nm;其流明效率為3-151m/w。超高亮度LED目前的流明效率已超過(guò)了帶濾光片的白熾燈，可以取代功率1w以內(nèi)的白熾燈，而且用LED陣列可以取代功率150w以內(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、綠色和蘭色，而用超高亮度LED則可得到相同的顏色。近年AlGaInP材料和InGaN材料制造的超高亮度LED將多個(gè)(紅、蘭、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。

　　二、超高亮度LED的應(yīng)用：

　　汽車信號(hào)指示：汽車指示燈在車的外部主要是方向燈、尾燈和剎車燈;在車的內(nèi)部主要是各種儀表的照明和顯示。超高亮度LED用于汽車指示燈與傳統(tǒng)的白熾燈相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，在汽車工業(yè)中有著廣泛的市場(chǎng)。LED能夠經(jīng)受較強(qiáng)的機(jī)械沖擊和震動(dòng)。平均工作壽命MTBF比白熾燈泡高出幾個(gè)量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出汽車本身的工作壽命，因此LED剎車燈可封裝成一個(gè)整體，而不必考慮維修。透明襯底Al.GaAs和AlInGaPLED與帶有濾光片的白熾燈泡相比具有相當(dāng)高的流明效率，這樣LED剎車燈和方向燈就能夠在較低的驅(qū)動(dòng)電流下工作，典型的驅(qū)動(dòng)電流只有白熾燈的1/4，從而降低了汽車用于行駛距離。較低的電功率還可降低汽車內(nèi)部線路系統(tǒng)的體積和重量，同時(shí)還可減小集成化的LED信號(hào)燈的內(nèi)部溫升，允許透鏡和外罩使用耐溫性能較低的塑料。LED剎車燈的響應(yīng)時(shí)間為100ns，比白熾燈的響應(yīng)時(shí)間短，這樣便給司機(jī)留下了更多的反應(yīng)時(shí)間，從而提高了行車的安全保證。汽車的外部指示燈的照度及顏色均有明確規(guī)定。汽車的內(nèi)部照明顯示雖不像外部信號(hào)燈那樣受到政府有關(guān)部門的控制，但汽車的制造者對(duì)LED的顏色及照度有要求。GaPLED早已用于車內(nèi)，超高亮度AlGaInP和InGaNLED由于在顏色和照度上可滿足制造者的要求，因而將更多的取代車內(nèi)白熾燈。從價(jià)格上看，盡管LED燈與白熾燈相比還是較貴的，但從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，二者的價(jià)格并沒(méi)有明顯的差別。隨著超高亮度TSAlGaAs和AlGaInPLED實(shí)用化的發(fā)展，最近幾年價(jià)格一直在不斷降低，今后降低的幅度還會(huì)更大。

　　交通信號(hào)指示：用超高亮度LED取代白熾燈，用于交通信號(hào)燈、警示燈、標(biāo)志燈現(xiàn)已遍及世界各地，市場(chǎng)廣闊，需求量增長(zhǎng)很快。根據(jù)美國(guó)交通部門1994年的統(tǒng)計(jì)，美國(guó)安裝交通信號(hào)燈的十字路口有26萬(wàn)個(gè)，每個(gè)十字路口至少要有12個(gè)紅色、黃色、藍(lán)綠色信號(hào)燈。許多十字路口還有一些附加的轉(zhuǎn)變標(biāo)志和跨越馬路的人行橫道警示燈。這樣，每個(gè)十字路口可有20信號(hào)燈，而且要同時(shí)發(fā)光。由此可推算出美國(guó)全國(guó)約有1.35億個(gè)交通信號(hào)燈。目前采用超高亮度LED取代傳統(tǒng)的白熾的燈降低電力損耗已取得明顯效果。日本每年在交通信號(hào)燈上的耗電量約為100萬(wàn)千瓦，采用超高亮度LED取代白熾燈后，其耗電量?jī)H為原來(lái)的12%。

　　交通信號(hào)燈每個(gè)國(guó)家的主管部門都要制定相應(yīng)的規(guī)范，規(guī)定信號(hào)的顏色、最低的照明強(qiáng)度，光束空間分布的圖樣以及對(duì)安裝環(huán)境的要求等。盡管這些要求是按白熾燈編寫(xiě)的，但對(duì)目前采用的超高亮度LED交通信號(hào)燈基本上是適用的。LED交通信號(hào)燈與白熾燈相比，工作壽命較長(zhǎng)，一般可達(dá)到10年，考慮到戶外惡劣環(huán)境的影響，預(yù)計(jì)壽命要減少到5-6年。目前超高亮度AlGaInP紅、橙、黃色LED已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，價(jià)格也比較便宜，若用紅色超高亮度LED組成的模塊取代傳統(tǒng)的紅色白熾交通信號(hào)燈頭則可將因紅色白熾燈突然失效給安全造成的影響低到最低程度。一般LED交通信號(hào)模塊由若干組串聯(lián)的LED單燈組成，以12英寸的紅色LED交通信號(hào)模塊為例，在3-9組串聯(lián)的LED單燈，每組串聯(lián)的LED單燈數(shù)為70-75個(gè)(總數(shù)為210-675LED單燈)，當(dāng)有一個(gè)LED單燈失效時(shí)，只會(huì)影響一組信號(hào)，其余各組減小到原來(lái)的2/3(67%)或8/9(89%)，并不會(huì)像白熾燈那樣使整個(gè)信號(hào)燈頭失效。

　　LED交通信號(hào)模塊的主要問(wèn)題是造介仍然顯得高些，以12英寸的TS-AlGaAs紅色LED交通信號(hào)模塊為例，最早應(yīng)用于1994年，其造價(jià)為350$，而到1996年性能更好的12英的AlGaInPLED交通信號(hào)模塊，造價(jià)則為200$。

　　預(yù)計(jì)今后不會(huì)很久，InGaN藍(lán)綠色LED交通信號(hào)模塊的價(jià)格將可與AlGaInP相比。白熾交通信號(hào)燈頭的造價(jià)雖低，但耗電量大，一個(gè)直徑12英寸的白熾交通信號(hào)燈頭的耗電量為150W，橫過(guò)馬路人行道的交通警示燈的耗電量為67W，據(jù)計(jì)算，每個(gè)十字路口的白熾信號(hào)燈每年的耗電量為18133KWh，折合每年電費(fèi)為1450$;然而LED交通信號(hào)模塊則非常省電，每個(gè)8-12英寸的紅色LED交通信號(hào)模塊耗電量分別為15W和20W，十字路口拐彎處的LED標(biāo)志可用箭頭開(kāi)關(guān)顯示，耗電量?jī)H有9w，據(jù)計(jì)算，每個(gè)十字路口每年可省電9916KWh，相當(dāng)每年節(jié)省電費(fèi)793$。按每個(gè)LED交通信號(hào)模塊的平均造價(jià)200$計(jì)，紅色LED交通信號(hào)模塊僅用其節(jié)省的電費(fèi)，3年后即可收回最初的成本造價(jià)，并開(kāi)始不斷得到經(jīng)濟(jì)回報(bào)。因此目前使用AlGaInPLED交通信息模塊，盡管造價(jià)顯得地，但從長(zhǎng)看，還是合算的。