超高亮度LED的发展和应用.doc

超高亮度 LED 的发展和应用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 GaAsPLED 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 InGaAlP620nm 橙色超高亮度 LED，1992 年，InGaAlP590nm 黄色超高亮度 LED 达到实用化。

同年，东芝公司研制的 InGaA1P573nm 黄绿色超高亮度 LED 的法向光强达 2cd1994 年，***日亚公司研制成 InGaN450nm 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 InGaA1PLED 和 InGaNLED 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 A1GaAsLED 与 GaAsPGaPLED 相比，具有更高的发光效率，透明衬底（TS）A1GaAsLED（640nm）的流明效率已接近 10lm/W，比红色 GaAsPGaPLED 大 10倍超高亮度 InGaAlPLED 提供的颜色与 GaAsPGaPLED 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） InGaAlPLED 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GaPLED 的流明效率要高 10 倍～20倍；在 560nm～570nm 的波长范围内比 GaAsPGaPLED 高出 2 倍～4 倍超高亮度InGaNLED 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 AlInGaPLED 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GaPLED 早已用于车内，超高亮度 AlGaInP 和 InGaNLED 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 AlGaInPLED 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 AlGaInPLED 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 AlGaInPLED 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、InGaNLED 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、InGaNLED 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 GaPLED，然而用 AlGaInP、TS －AlGaAsLED 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。