GaN基化合物半導體材料技術和器件制造工藝的迅速發(fā)展已經引起了全世界的密切關注，成了近期半導體光源技術的發(fā)展熱點，是許多國家政府能源戰(zhàn)略關注的熱門技術。
近幾年間半導體光源已經成為紅外波段的主要光源。然而,在可見光和紫外光光源領域，傳統(tǒng)的白熾燈和氣體放電燈仍占主導地位。最近幾年，由于GaN基化合物半導體材料技術和器件工藝等取得了突破性的進展，把半導體光源的工作波長從過去的紅外和近紅外波段拓寬到了可見光和紫外光波段。GaN光源器件的發(fā)光效率已經提高，工作波長已經完全填滿了可見光波段，并擴展到了紫外波段，成本正在大幅度地下降，展現(xiàn)出了廣闊的應用前景。
半導體LED光源的優(yōu)勢
與傳統(tǒng)的真空白熾燈泡等相比，半導體LED光源具有無可比擬的優(yōu)點。
1．壽命長、成本更低。半導體LED的工作壽命極長，是傳統(tǒng)照明器具的10倍以上，有效降低了成本；
2．功耗低、發(fā)光效率高、節(jié)省能源，是未來能源戰(zhàn)略的合適候選者。如使用一個135W的白熾燈作12英寸的紅色交通信號燈，其產生的發(fā)光強度達2000流明以上，卻僅有大約200流明的光能穿過紅色濾光片，僅利用了其發(fā)光強度的十分之一，而用12個12W的紅光大功率半導體LED也可達到2000流明，但因不需使用濾光片而可以全部利用；而且用同樣的方法也可產生相同強度的琥珀色和綠色光。
3．半導體LED光源的體積小、重量輕、適應性強，為設計和應用提供了極大的靈活性；
4．由于白光大功率LED光源是固體燈泡，無需封裝在真空玻璃內，因而耐沖擊和碰撞；
5．LED光源還是一種無污染的無汞光源，符合歐洲RoHS指令。
技術進展
GaN化合物半導體（如InGaN)、SiC材料技術和器件工藝等方面的突破，導致了可見光和紫外光波段的半導體光源技術的飛速發(fā)展，使這種光源的應用發(fā)生了革命性的變化。薄膜技術的進步提高了發(fā)光效率和發(fā)光強度。圖1顯示了用InGaN材料制作的半導體LED的發(fā)射光波長和色彩。
圖1. 用InGaN材料制作的LED
的發(fā)射光波長和色彩。
半導體LED技術已經從小芯片、低發(fā)光強度的指示器發(fā)展到了高功率、低功耗的光源。大型芯片的白光LED是一種革命性的發(fā)光技術，這種技術在發(fā)光效率和其它關鍵參數(shù)方面都已超過了許多普通的光源技術。圖2顯示出了半導體LED光源發(fā)光效率持續(xù)改進的時間表，圖3是InGaN高效率發(fā)光不斷取得的進展。這種薄膜LED采用了獨具一格的剝離工藝技術產生高效率、可控和頂部出光的結構。
圖2. 半導體LED光源性能持
續(xù)改進的時間表。
新的半導體光源
由于半導體LED光源技術的快速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了一系列新的LED光源產品。過去的幾年中已經先后出現(xiàn)了硅和塑料透鏡一起封裝的大功率七色光LED和白光LED光源產品，壽命長、發(fā)光效率高和功率大的半導體LED光源的前景非常光明，而且市場上已經出現(xiàn)了這種大功率白光LED光源產品。
彩色半導體LED光源
單色可見光LED光源的壽命和單位使用成本（元/流明/小時)能與傳統(tǒng)的白熾燈競爭。因此，它們正在交通信號燈、汽車尾燈、車內燈和液晶顯示器背光領域逐漸取代白熾燈紅、綠、藍混合的白光LED光源
把紅、綠、藍三色LED光源混合起來也能產生寬頻帶的白色光。白光LED光源的發(fā)光效率是通用白熾燈泡的2倍，單位使用成本只有后者的1/2。
圖3. InGaN高效率發(fā)光不斷取得
的進展，發(fā)光效率持續(xù)提高。
目前存在的一個突出難題是，如何填補黃綠光波段，因為在該波段的發(fā)光效率極低。許多實驗室都極為重視研發(fā)一種含In量高的GaInN合金材料，這種材料最有希望填補該波段。
紫外發(fā)光LED光源
這種LED光源還遠不如可見光LED光源成熟，但是正在快速發(fā)展。已經開始應用到的一些領域，如生物介質檢測、錢幣特征識別、微生物細菌污染水的凈化、牙科和材料醫(yī)學（如環(huán)氧樹脂、粘合劑和墨水）、藥品、化妝品的的處理等。
這種技術目前所面臨的突出難題是如何了解和控制好含Al量高的AlGaN合金材料。
廣闊的應用市場
白光半導體LED光源是該領域的主流技術，其色彩方面的廣泛應用和其自身固有的技術優(yōu)勢使之能與傳統(tǒng)的白熾燈相匹敵,而且壽命的延長和電路與光學方面的進展促進了供應商、中間商和相關配件廠商形成的產業(yè)鏈迅速擴大,導致了LED產品銷售量的猛增。
LED光源已經進入了非常多的領域：
1．各類交通工具，包括小轎車、載重汽車、客車、軍用車輛、火車和飛機等是LED光源應用的一個市場。LED光源在汽車領域的應用可以降低維修成本、延長使用壽命、保證高亮度、減少功耗和發(fā)熱、具有飽和色度和設計靈活性。主要應用功能分成兩個方面：內部燈光和外部燈光照明。
內部照明：包括開關、聲頻/氣候控制系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)、儀器儀表和駕駛員/乘客的車內照明，儀器儀表讀數(shù)與地圖光照。絕大多數(shù)這些應用都要求按鈕、隔離區(qū)和圖標有背透光。這種照明通常是對駕駛室和乘客車廂進行光照調整。
車輛的外部照明：外部汽車車燈應用包括剎車燈、尾燈、轉向燈和前燈。
發(fā)光效率的提高、成本的不斷降低、供應鏈的完善和工藝的進步使新汽車以高于75%的增長率安裝這種新出現(xiàn)的半導體LED光源。
2．城市交通、地鐵、公路、鐵路、港口和機場的信號指示燈和強光燈市場；
3．賓館、酒樓和酒吧等豪華建筑的燈光和內外燈飾。
4．公共娛樂場所場所的燈光照明和彩燈裝飾；
5．建筑泛光照明和裝飾彩燈；
6．機器人視覺系統(tǒng)、數(shù)碼相機和手機等的照明和顯示；
7．各種廣告牌和大面積視頻廣告牌以及地名標識等。
隨著LED發(fā)光功率和產量的不斷提高，預期LED將不斷地擴展其在傳統(tǒng)發(fā)光技術領域的應用。
需要解決的問題與前景
盡管半導體LED光源應用前景廣闊，但必須解決其高熱量的問題。
用多個大功率半導體LED光源組合成的LED發(fā)光燈泡或顯示屏幕會產生大量的熱。和絕大多數(shù)半導體元器件一樣，這種大功率的半導體LED光源在極高的工作溫度下會導致性能下降、可*性差和使用壽命縮短，因而對發(fā)熱量加以控制使其工作溫度保持在規(guī)定的范圍內，是保證其最佳性能的關鍵。目前，絕大多數(shù)的大功率LED制造廠商都會向用戶提供LED熱管理和燈泡應用指南，同時許多照明解決方案都對常用的電路板作了修改以便把LED和與之相匹配的光學器件安裝在一起。國內外大功率半導體LED光源技術目前仍處于發(fā)展階段，要達到大批量生產和應用，還存在價格問題，取代普遍使用的真空型白熾燈泡尚需若干年的時間。但是由于其性能對許多應用領域具有極大的吸引力，相信隨著這種技術的快速發(fā)展，將滲透到發(fā)光應用的各個領域。 |
