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GaAsPGaP 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。