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已開始應(yīng)用于指示燈、數(shù)字和文字顯示。從此LED開始進(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，遍及國民經(jīng)濟(jì)各部門和千家萬戶。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100mcd的LED，又稱坎德拉(cd)級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外進(jìn)口。通過幾個“五年計劃”的技術(shù)改造、技術(shù)攻關(guān)、引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備和部分關(guān)鍵技術(shù)，使我國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的波長范圍內(nèi)比GaAsP-GaPLED的流明效率要高10-20倍;在560-570的波長范圍內(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。對于許多應(yīng)用，白熾燈都是采用濾光片來得到紅色、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(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)三維動畫。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。LED能夠經(jīng)受較強(qiáng)的機(jī)械沖擊和震動。平均工作壽命MTBF比白熾燈泡高出幾個量級，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)動電流下工作，典型的驅(qū)動電流只有白熾燈的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，同時還可減小集成化的LED信號燈的內(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)時間為100ns，比白熾燈的響應(yīng)時間短，這樣便給司機(jī)留下了更多的反應(yīng)時間，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燈那樣受到政府有關(guān)部門的控制，但汽車的制造者對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。從價格上看，盡管LED燈與白熾燈相比還是較貴的，但從整個系統(tǒng)來看，二者的價格并沒有明顯的差別。隨著超高亮度TSAlGaAs和AlGaInPLED實(shí)用化的發(fā)展，最近幾年價格一直在不斷降低，今后降低的幅度還會更大。

　　交通信號指示：用超高亮度LED取代白熾燈，用于交通信號燈、警示燈、標(biāo)志燈現(xiàn)已遍及世界各地，市場廣闊，需求量增長很快。根據(jù)美國交通部門1994年的統(tǒng)計，美國安裝交通信號燈的十字路口有26萬個，每個十字路口至少要有12個紅色、黃色、藍(lán)綠色信號燈。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，每個十字路口可有20信號燈，而且要同時發(fā)光。由此可推算出美國全國約有1.35億個交通信號燈。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燈上的耗電量約為100萬千瓦，采用超高亮度LED取代白熾燈后，其耗電量僅為原來的12%。

　　交通信號燈每個國家的主管部門都要制定相應(yīng)的規(guī)范，規(guī)定信號的顏色、最低的照明強(qiáng)度，光束空間分布的圖樣以及對安裝環(huán)境的要求等。盡管這些要求是按白熾燈編寫的，但對目前采用的超高亮度LED交通信號燈基本上是適用的。LED交通信號燈與白熾燈相比，工作壽命較長，一般可達(dá)到10年，考慮到戶外惡劣環(huán)境的影響，預(yù)計壽命要減少到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(總數(shù)為210-675LED單燈)，當(dāng)有一個LED單燈失效時，只會影響一組信號，其余各組減小到原來的2/3(67%)或8/9(89%)，并不會像白熾燈那樣使整個信號燈頭失效。

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

　　預(yù)計今后不會很久，InGaN藍(lán)綠色LED交通信號模塊的價格將可與AlGaInP相比。白熾交通信號燈頭的造價雖低，但耗電量大，一個直徑12英寸的白熾交通信號燈頭的耗電量為150W，橫過馬路人行道的交通警示燈的耗電量為67W，據(jù)計算，每個十字路口的白熾信號燈每年的耗電量為18133KWh，折合每年電費(fèi)為1450$;然而LED交通信號模塊則非常省電，每個8-12英寸的紅色LED交通信號模塊耗電量分別為15W和20W，十字路口拐彎處的LED標(biāo)志可用箭頭開關(guān)顯示，耗電量僅有9w，據(jù)計算，每個十字路口每年可省電9916KWh，相當(dāng)每年節(jié)省電費(fèi)793$。按每個LED交通信號模塊的平均造價200$計，紅色LED交通信號模塊僅用其節(jié)省的電費(fèi)，3年后即可收回最初的成本造價，并開始不斷得到經(jīng)濟(jì)回報。因此目前使用AlGaInPLED交通信息模塊，盡管造價顯得地，但從長看，還是合算的。