1 引言 LED已有近30年的發(fā)展過程。20世紀(jì)70年代，最早的GaP、GaAsP同質(zhì)結(jié)紅、黃、綠色低發(fā)光效率的LED已開端利用于唆使燈、數(shù)字和文字顯示。從此，LED開端進(jìn)進(jìn)多種利用范疇，包含宇航、飛機(jī)、汽車、產(chǎn)業(yè)利用、通信、花費(fèi)類產(chǎn)品等，遍及國民經(jīng)濟(jì)各個部分和千家萬戶。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一直受到色彩和發(fā)光效率的限制，但是由于GaP和GaAsP LED具有壽命長、可靠性高、工作電流小、可與TTL、CMOS數(shù)字電路兼容等很多長處，因而一直受到應(yīng)用者的青睞。
最近十年，高亮度化、全色化一直是LED材料和器件工藝技巧研究的前沿課題。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)展得十分敏捷，現(xiàn)已達(dá)到慣例材料GaA1As、GaAsP、GaP不可能達(dá)到的性能程度。1991年，東芝公司和美國HP公司研制成InGaAlP 620nm橙色超高亮度LED，1992年，InGaAlP 590nm黃色超高亮度LED達(dá)到實(shí)用化。同年，東芝公司研制的InGaA1P 573nm黃綠色超高亮度LED的法向光強(qiáng)達(dá)2cd。1994年，日亞公司研制成InGaN 450nm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、黃多種色彩的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20世紀(jì)70年代，80年代形成產(chǎn)業(yè)。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海外進(jìn)口。通過幾個"五年打算"的技巧改革、技巧攻關(guān)、引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備和部分關(guān)鍵技巧，使我國LED的生產(chǎn)技巧已向前跨進(jìn)了一步。北京、長春、南昌、上海、山東、河北等地的一些廠家，現(xiàn)已具有GaAs和GaP單晶、外延片、芯片的批量生產(chǎn)才能。由南昌746廠組建的欣磊光電公司的普亮LED芯片生產(chǎn)線，1998年生產(chǎn)出管芯7億只，1999年超過10億只。***電子第13研究所下屬的河北匯有電力電子公司和河北立德電子公司已分辨建成InGaA1P超高亮度LED外延片和芯片生產(chǎn)線，1999年年底達(dá)到年產(chǎn)外延片1萬片、芯片1億只的生產(chǎn)才能，從而轉(zhuǎn)變了我國超高亮度LED外延片、芯片全部從海外進(jìn)口的局面。
本文將對超高亮度InGaA1P LED和InGaN LED在汽車唆使燈、交通信號燈、大屏幕顯示、液晶顯示（LCD）的背光照明等中的利用情況做一簡要先容。
2 超高亮度LED的結(jié)構(gòu)及性能
超高亮度紅A1GaAs LED與GaAsP、GaP LED相比，具有更高的發(fā)光效率，透明襯底（TS）A1GaAs LED（640nm）的流明效率已接近10lm/W，比紅色GaAsPGaPLED大10倍。超高亮度InGaAlP LED供給的色彩與GaAsP、GaP LED雷同，包含綠黃色（560nm）、淺綠黃色（570nm）、黃色（585nm）、淺黃（590nm）、橙色（605nm）、淺紅（625nm）、深紅（640nm）。InGaAlPLED接收襯底（AS）的流明效率為101m/W，透明襯底（TS）為201m/W，在590nm～626nm的波長范疇內(nèi)比GaAsP、GaP LED的流明效率要高10倍～20倍；在560nm～570nm的波長范疇內(nèi)比GaAsP、GaP LED高出2倍～4倍。超高亮度InGaN LED供給了藍(lán)色光和綠色光，其波長范疇：藍(lán)色為450nm～480nm，藍(lán)綠色為500nm，綠色為520nm；其流明效率為3m/W～151m/W。超高亮度LED目前的流明效率已超過帶濾光片的白熾燈，可以代替功率1W以內(nèi)的白熾燈，而且用LED陣列可以代替功率在150W以內(nèi)的白熾燈。對于很多利用，白熾燈都是采用濾光片來得到紅色、橙色、綠色和藍(lán)色，而用超高亮度LED則可得到雷同的色彩。近年，用AlGaInP材料和InGaN材料制作的超高亮度LED將多個（紅、藍(lán)、綠）超高亮度LED芯片組合在一起，不用濾光片也能得到各種色彩，包含紅、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)光明度已高于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。
3 超高亮度LED的利用
3.1 信息唆使燈
3.1.1 汽車信號唆使
汽車唆使燈在車的外部重要是方向燈、尾燈和剎車燈；在車的內(nèi)部重要是各種儀表的照明和顯示。超高亮度LED用于汽車唆使燈，與傳統(tǒng)的白熾燈相比，具有很多長處，在汽車產(chǎn)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。均勻工作壽命（MTBF）比白熾燈泡高出幾個數(shù)目級，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AlGaAs和AlInGaP LED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，典范的驅(qū)動電流只有白熾燈的1/4。較低的功率還可下降汽車內(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，答應(yīng)透鏡和外罩應(yīng)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。汽車的外部唆使燈的照度及色彩均有明白規(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)部分的把持，但汽車的制作者對LED的色彩及照明度有請求。GaP LED早已用于車內(nèi)，超高亮度AlGaInP和InGaN LED由于在色彩和照明度上可滿足制作者的請求，因而將更多地代替車內(nèi)白熾燈。從價格上看，盡管LED燈與白熾燈相比還是較貴的，但從全部系統(tǒng)來看，二者的價格并沒有明顯的差別。隨著超高亮度TSAlGaAs和AlGaInP LED實(shí)用化的發(fā)展，最近幾年價格一直在不斷下降，今后下降的幅度還會更大。
3.1.2 交通信號唆使
用超高亮度LED代替白熾燈，用于交通信號燈、警示燈、標(biāo)記燈現(xiàn)已遍及世界各地，市場廣闊，需求量增加很快。根據(jù)美國交通部分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。很多十字路口還有一些附加的轉(zhuǎn)變標(biāo)記和跨越馬路的人行橫道警示燈。這樣，每個十字路口可能有20個信號燈，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代替?zhèn)鹘y(tǒng)的白熾燈下降電力損耗已取得明顯后果。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代替白熾燈后，其耗電量僅為本來的12％。
對交通信號燈，每個國家的主管部分都要制定相應(yīng)的規(guī)范，規(guī)定信號的色彩、最低的照明強(qiáng)度，光束空間散布的圖樣以及對安裝環(huán)境的請求等。盡管這些請求是按白熾燈編寫的，但對目前采用的超高亮度LED交通信號燈基礎(chǔ)上是實(shí)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年～6年。目前超高亮度AlGaInP紅、橙、黃色LED已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，價格也比擬便宜，若用紅色超高亮度LED組成的模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紅色白熾交通信號燈頭則可將因紅色白熾燈忽然失效給安全造成的影響下降到最低程度。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組～9組串聯(lián)的LED單燈，每組串聯(lián)的LED單燈數(shù)為70個～75個（總數(shù)為210個～675個LED單燈），當(dāng)有一個LED單燈失效時，只會影響一組信號，其余各組減小到本來的2/3（67％）或8/9（89％），并不會像白熾燈那樣使全部信號燈頭失效。
LED交通信號模塊存在的重要標(biāo)題是造價仍然顯得高些，以12英寸的TS－AlGaAs紅色LED交通信號模塊為例，最早利用于1994年，其造價為350＄，而到1996年，性能更好的12英寸的AlGaInP LED交通信號模塊，造價為200＄。預(yù)計不會很久，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，一個直徑為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)盤算，每個十字路口的白熾信號燈每年的耗電量為18133kWh，折合每年的電費(fèi)為1450＄；然而，LED交通信號模塊非常省電，每個8英寸～12英寸的紅色LED交通信號模塊的耗電量分辨為15W和20W，十字路口拐彎處的LED標(biāo)記可用箭頭開關(guān)顯示，耗電量僅有9W，據(jù)盤算，每個十字路口每年可省電9916kWh，相當(dāng)每年節(jié)儉電費(fèi)793＄。按每個LED交通信號模塊的均勻造價為200＄計，紅色LED交通信號模塊僅用其節(jié)儉的電費(fèi)，3年后即可收回最初的本錢造價，并開端不斷得到經(jīng)濟(jì)回報。因此目前應(yīng)用AlGaInP LED交通信息模塊，盡管造價顯得高些，但從長遠(yuǎn)看，還是合算的。
3.2 大屏幕顯示
大屏幕顯示是超高亮度LED利用的另一個宏大市場，包含圖形、文字、數(shù)字的單色、雙色和全色顯示。傳統(tǒng)的大屏幕有源顯示一般采用白熾燈、光纖、陰極射線管等；無源顯示一般采用翻牌的方法。LED顯示曾一直受到LED本身性能和色彩的限制。如今，超高亮度AlGaInP、TS－AlGaAs、InGaN LED已能夠供給明亮的紅、黃、綠、藍(lán)各種色彩，可完整滿足全色大屏幕顯示的請求。LED顯示屏可按像素尺寸裝配成各種結(jié)構(gòu)，小像素直徑一般小于5mm，單色顯示的每個像素用一個T－1（3/4）的LED燈，雙色顯示的每個像素為雙色的T－1（3/4）的LED燈，全色顯示則需要3個T－1紅、綠、藍(lán)色燈，或者裝配一個多芯片的T－1（3/4）的LED燈作為一個像素。大像素則是通過把很多T－1（3/4）紅、綠、藍(lán)色LED燈組合在一起構(gòu)成的。用InGaN(480nm)藍(lán)、InGaN(515nm)綠和AsAlGaAs(637nm)紅LED燈作為LED顯示的三基色，可以供給逼真的全色性能，而且具有較大的色彩范疇，包含藍(lán)綠、綠紅等，與國際電視系統(tǒng)委員會（NTSC）規(guī)定的電視色彩范疇基礎(chǔ)相符。
3.3 液晶顯示（LCD）的背照明
在液晶顯示中至少有10％采用有源光作為背照明，光源可使LCD顯示屏在黑暗的環(huán)境下易讀，全色LCD顯示也需要光源。LCD背照明所需的光源重要有白熾燈泡、場致發(fā)光、冷陰極熒光、LED等，其中LED在LCD背照明中最有競爭力，新型的超高亮度AlGaInP、AlGaAs、InGaN LED可以供給高效率的發(fā)光和寬范疇的色彩。
LED用于LCD背照明重要有3種方法。（1）最簡略的是把LED燈直接安裝在LCD散射膜的后面，可用很多封裝的LED燈，它們應(yīng)當(dāng)具有非常寬的光束角，以使軸向光的均勻性較好。也可以采用未封裝的管芯，一般用GaP LED，然而用AlGaInP、TS－AlGaAs LED則可在小電流下工作，減小功耗。（2）另一種方法是邊緣光LCD背照明，用一個透明或半透明的矩形塑料塊作為導(dǎo)光體，將其直接安裝在LCD散射膜的后面，塑料塊的后表面涂上白色反光材料，LED光從塑料塊的一個側(cè)邊射進(jìn)，其余側(cè)邊作成白色反光材料。（3）將LED發(fā)出的光導(dǎo)進(jìn)光纖束之中，光纖束的散射膜后面構(gòu)成一個平坦的薄片，可以用不同的方法將光從薄片中取出作為LCD的背照明。采用LED作為背照明的液晶顯示器可用于移動電話、筆記本電腦。隨著小型液晶顯示器在節(jié)電型通信產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，將會對超高亮度LED有更大的需求。
3.4 固體照明燈
全色超高亮度LED的實(shí)用化和商品化，使照明技巧面臨一場新的革命，由多個超高亮度紅、藍(lán)、綠三色LED制成的固體照明燈不僅可以發(fā)出波長持續(xù)可調(diào)的各種色光，而且還可以發(fā)出亮度可達(dá)幾十燭光到一百燭光的白色，成為照明光源。最近，日亞公司利用其InGaN藍(lán)光LED和熒光技巧，又推出了白光固體發(fā)光器件，其色溫為6500K，效率達(dá)每瓦7.5流明。對于雷同發(fā)光明度的白熾燈和LED固體照明燈來說，后者的功耗只占前者的10％～20％，白熾燈的壽命一般不超過2000小時，而LED燈的壽命長達(dá)數(shù)萬小時。這種體積小、重量輕、方向性好、節(jié)能、壽命長、耐各種惡劣條件的固體光源必將對傳統(tǒng)的光源市場帶來沖擊。盡管這種新型照明固體光源的本錢依然偏高，但可以利用于一些特別場合，如礦山、潛水、搶險、軍用裝置的照明等。從長遠(yuǎn)看，假如超高亮度LED的生產(chǎn)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，本錢進(jìn)一步下降，其節(jié)能和長壽命的上風(fēng)足以補(bǔ)充價格偏高的劣勢。超高亮度LED將有可能成為一種很有競爭力的新型電光源。
4 結(jié)束語
超高亮度LED的問世和產(chǎn)業(yè)化不僅拓展了原有的利用范疇，而且將有一個潛力宏大的市場。今后幾年InGaN LED隨著范圍生產(chǎn)技巧的完善和產(chǎn)品本錢的下降，價格將和AlGaInP LED相近。到那時，我國的LED產(chǎn)業(yè)將具有必定范圍和參與國際競爭的才能，超高亮度LED在我國將會有一個大發(fā)展。