20世纪中叶出现在市场上的第一批led发光二极管,经过近50年历程,技术上已经取得长足的进步。发光效率达到每瓦15流明,光强达到烛光级,辐射颜色形成包括白色光的多元化色彩、寿命达数万小时,成为光学光电子新兴产业中极具影响的新 产品,在显示技术领域中占有基特殊的举足轻重的一席之地。我国现代电子工业正在进一步树立发展规模市场经济的理念。在首选光子器件等5种新型电子元件发展规划时,考虑以国民经济现代化和信息化为目标,实现产品专业化和扩大出口创汇能力,LED产业被选择为光电子器件发展中的重点,同时认为它在产值、产量、规模效应等诸方面应占有其应有的地位。虽然,目前LED在光电市场仅占有很小的份额但它的发展势头、其巨大的市场潜力不可低估,国内外越来越多的企业参与这场竞争势在必行。 为了更有利于我国参与这一竞争,尤其是面临既将加入WTO的形势,如何客观地了解led光源研制状和发展趋势,充分剖析国际 市场各国参与LED光源市场竞争的动态,是我们决策的重要依据。为此特撰写本文与有关人士商榷和探讨,愿有助于我国LED光源产业的崛起和兴旺。
led光源的研制成果
led原理是在半导体P-n结处流过正向电流时,能以高的转换效率辐射出200-1550m范围包括紫外、红外和可见光谱,从而形成一个实用的发光元件。目前可见光(380-780nm)的led产量以90%的优势占主导地位。
LED以体积小(最小仅几毫米)、寿命长(几万小时)、功耗低(mW)、可靠性高、响应速度快(us级)、易与集成电路配用、可在低电位(几伏电压)下工作及易实现固体化,以及辐射光谱丰富、光效和亮度高等优点,在照明和显示领域引起人们的极大兴趣和重视。要具体分析LED科研进展,我们可先回顾一下半导体工业的发展历史。人们一般将Si、Ge称为第一代电子材料,而将GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等称为第二代电子材料,宽禁带(Eg>2、3eV)半导体材料近年来发展十分迅速,成为第三代电子材料,主要包括SiC、ZnSe、金刚石和CaN等。宽禁带半导体材料具有禁带宽大,电子漂移饱和速度高介点常数小,导热性能好等优点,非常适于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成电子器件;而利用其特有的禁带宽度,还可制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。再宽禁带半导体材料中,SiC和ZnSe在相当长的一段时间内一直是研究和开发的重点,尽管SiC为间接带隙材料,其蓝色LEDs的发光亮度很低,但SiC蓝光LEDs在CaN蓝光LEDs实现商品化之前仍是唯一的商品化的蓝光LEDs产品;而ZnSe材料由于可实现蓝光LEDs(寿命约为几个小时),更是世界各大公司和研究机构的掌上明珠。
GaN材料由于受到没有合适的单晶衬底材料、位错密度太大、n性本底浓度太高和无法实现P型掺杂等问题的困扰,曾被没有认为是一种希望的材料,因而发展十分缓慢。进入90年代之后,随着材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善,GaN基器件的发展十分迅速,目前已成为宽带隙半导体中一颗十分耀眼的新星。
首先是在蓝、绿光发光器件领域取得重大突破。1989年,Nichia公司每年投入300多万美元用于开发GaN基蓝光LEDs,并很 快结出硕果。1991年Nichia公司Nakamura等人首先以蓝宝石为衬底,研制成掺Mg的GaN同质结蓝光LEDs,1993年将蓝光发光亮度提高到lcd1995年达到2cd,并于同年实现绿光LEDs商品化,其亮度达到6cd。1995年11月,在材料研究会(MRS)主办的第一届GaN及其关材料国际学术会议中, Nakamura展示了用于交通信号灯的LEDs,引起全世界的重视。1997年Nichia公司研制成功连续波工作寿命超过10000h的蓝光LEDs,更引起全世界的关注。在电子器件领域,UCSB大学研制的GaN,MODFET的施主层厚度仅有20nm,减小了器件的输入电容,使得0.2um栅长器件的fsubT达到50GHz,在10GHz工作下的功率密度为1.7W/mm器件性能超过用其他材料制作的HFET。南卡罗来纳州大学等以SiC为衬底研制的HFET的跨导体为142mS/mm,室温下的功率耗散为0、6MW/cm ,比以蓝宝石为衬底的同类器件高3倍。
APA光学公司在1998年初推出世界上第一个商品化的GaN基UV探测器系列。与传统Si探测器相比,GaN探测器在可见光范围内的工作要有效得多,且可在300度的高温环境中工作。 随着蓝、绿光LEDs实现商品化,目前开发GaN器件的焦点更多的集中在实现蓝光LEDs上。世界各大公司和研究机构都投巨 资加入到GaN蓝光LEDs的开发中,力争最迟到2000年实现蓝光LEDs商品化。
随着国内外半导体工业的发展和开拓,新工艺、新技术伴随着发光机制理论的进展也不断取得新成就,各种颜色的超高亮度 (20ma、法向光强1000mcd)LED取得突破性进展,并迅速实现产业化。LED光效较初始产品提高1000倍、达到50lm/W,光色已实现可见光波段的所有颜色,包括白色LED光源的研究已获得可喜的成果和优异的性能,引起科技界和产业界的极大关注,被认为是21世纪最有价值的新光源。
led照明光源的应用前景
近年来LED在高亮度化和多色化方面取得了突出进展,使人们