20世紀(jì)中葉出現(xiàn)在市場上的第一批LED發(fā)光二極管，經(jīng)過近50年歷程，技術(shù)上已經(jīng)取得長足的進(jìn)步。發(fā)光效率達(dá)到每瓦15流明，光強(qiáng)達(dá)到燭光級(jí)，輻射顏色形成包括白色光的多元化色彩、壽命達(dá)數(shù)萬小時(shí)，成為光學(xué)光電子新興產(chǎn)業(yè)中極具影響的新 產(chǎn)品,在顯示技術(shù)領(lǐng)域中占有基特殊的舉足輕重的一席之地。我國現(xiàn)代電子工業(yè)正在進(jìn)一步樹立發(fā)展規(guī)模市場經(jīng)濟(jì)的理念。在首選光子器件等５種新型電子元件發(fā)展規(guī)劃時(shí)，考慮以國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化和信息化為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品專業(yè)化和擴(kuò)大出口創(chuàng)匯能力，ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)被選擇為光電子器件發(fā)展中的重點(diǎn)，同時(shí)認(rèn)為它在產(chǎn)值、產(chǎn)量、規(guī)模效應(yīng)等諸方面應(yīng)占有其應(yīng)有的地位。雖然，目前ＬＥＤ在光電市場僅占有很小的份額但它的發(fā)展勢頭、其巨大的市場潛力不可低估，國內(nèi)外越來越多的企業(yè)參與這場競爭勢在必行。 為了更有利于我國參與這一競爭,尤其是面臨既將加入WTO的形勢,如何客觀地了解LED光源研制狀和發(fā)展趨勢,充分剖析國際 市場各國參與ＬＥＤ光源市場競爭的動(dòng)態(tài)，是我們決策的重要依據(jù)。為此特撰寫本文與有關(guān)人士商榷和探討，愿有助于我國ＬＥＤ光源產(chǎn)業(yè)的崛起和興旺。
LED光源的研制成果
LED原理是在半導(dǎo)體P-n結(jié)處流過正向電流時(shí)，能以高的轉(zhuǎn)換效率輻射出200-1550m范圍包括紫外、紅外和可見光譜，從而形成一個(gè)實(shí)用的發(fā)光元件。目前可見光（380-780nm）的LED產(chǎn)量以90%的優(yōu)勢占主導(dǎo)地位。
LED以體積�。ㄗ钚H幾毫米）、壽命長（幾萬小時(shí)）、功耗低（mW）、可靠性高、響應(yīng)速度快（us級(jí)）、易與集成電路配用、可在低電位（幾伏電壓）下工作及易實(shí)現(xiàn)固體化，以及輻射光譜豐富、光效和亮度高等優(yōu)點(diǎn)，在照明和顯示領(lǐng)域引起人們的極大興趣和重視。要具體分析LED科研進(jìn)展，我們可先回顧一下半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展歷史。人們一般將Si、Ge稱為第一代電子材料，而將GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等稱為第二代電子材料，寬禁帶（Eg>2、3eV）半導(dǎo)體材料近年來發(fā)展十分迅速，成為第三代電子材料，主要包括SiC、ZnSe、金剛石和CaN等。寬禁帶半導(dǎo)體材料具有禁帶寬大,電子漂移飽和速度高介點(diǎn)常數(shù)小,導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn),非常適于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成電子器件；而利用其特有的禁帶寬度，還可制作藍(lán)、綠光和紫外光的發(fā)光器件和光探測器件。再寬禁帶半導(dǎo)體材料中，SiC和ZnSe在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)一直是研究和開發(fā)的重點(diǎn)，盡管SiC為間接帶隙材料,其藍(lán)色LEDs的發(fā)光亮度很低,但SiC藍(lán)光LEDs在CaN藍(lán)光LEDs實(shí)現(xiàn)商品化之前仍是唯一的商品化的藍(lán)光LEDs產(chǎn)品；而ZnSe材料由于可實(shí)現(xiàn)藍(lán)光LEDs（壽命約為幾個(gè)小時(shí)），更是世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)的掌上明珠。
GaN材料由于受到?jīng)]有合適的單晶襯底材料、位錯(cuò)密度太大、n性本底濃度太高和無法實(shí)現(xiàn)P型摻雜等問題的困擾,曾被沒有認(rèn)為是一種希望的材料，因而發(fā)展十分緩慢。進(jìn)入90年代之后，隨著材料生長和器件工藝水平的不斷發(fā)展和完善，GaN基器件的發(fā)展十分迅速，目前已成為寬帶隙半導(dǎo)體中一顆十分耀眼的新星。
首先是在藍(lán)、綠光發(fā)光器件領(lǐng)域取得重大突破。1989年，Nichia公司每年投入300多萬美元用于開發(fā)GaN基藍(lán)光LEDs,并很 快結(jié)出碩果。1991年Nichia公司Nakamura等人首先以藍(lán)寶石為襯底，研制成摻Mg的GaN同質(zhì)結(jié)藍(lán)光LEDs,1993年將藍(lán)光發(fā)光亮度提高到lcd1995年達(dá)到2cd，并于同年實(shí)現(xiàn)綠光LEDs商品化,其亮度達(dá)到6cd。1995年11月,在材料研究會(huì)(MRS)主辦的第一屆GaN及其關(guān)材料國際學(xué)術(shù)會(huì)議中， Nakamura展示了用于交通信號(hào)燈的LEDs，引起全世界的重視。1997年Nichia公司研制成功連續(xù)波工作壽命超過10000h的藍(lán)光LEDs，更引起全世界的關(guān)注。在電子器件領(lǐng)域，UCSB大學(xué)研制的GaN,MODFET的施主層厚度僅有20nm,減小了器件的輸入電容,使得0.2um柵長器件的fsubT達(dá)到50GHz,在10GHz工作下的功率密度為1.7W/mm器件性能超過用其他材料制作的HFET。南卡羅來納州大學(xué)等以SiC為襯底研制的HFET的跨導(dǎo)體為142mS/mm，室溫下的功率耗散為0、6MW/cm ，比以藍(lán)寶石為襯底的同類器件高3倍。
APA光學(xué)公司在1998年初推出世界上第一個(gè)商品化的GaN基UV探測器系列。與傳統(tǒng)Si探測器相比，GaN探測器在可見光范圍內(nèi)的工作要有效得多，且可在300度的高溫環(huán)境中工作。 隨著藍(lán)、綠光LEDs實(shí)現(xiàn)商品化，目前開發(fā)GaN器件的焦點(diǎn)更多的集中在實(shí)現(xiàn)藍(lán)光LEDs上。世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)都投巨 資加入到GaN藍(lán)光LEDs的開發(fā)中，力爭最遲到2000年實(shí)現(xiàn)藍(lán)光LEDs商品化。
隨著國內(nèi)外半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展和開拓，新工藝、新技術(shù)伴隨著發(fā)光機(jī)制理論的進(jìn)展也不斷取得新成就，各種顏色的超高亮度 （20ma、法向光強(qiáng)1000mcd）LED取得突破性進(jìn)展，并迅速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。LED光效較初始產(chǎn)品提高1000倍、達(dá)到50lm/W,光色已實(shí)現(xiàn)可見光波段的所有顏色,包括白色LED光源的研究已獲得可喜的成果和優(yōu)異的性能，引起科技界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有價(jià)值的新光源。
LED照明光源的應(yīng)用前景
近年來LED在高亮度化和多色化方面取得了突出進(jìn)展，使人們看到LED發(fā)光效率已超過白熾燈，而且得到了超高亮度的日光色。人們紛紛預(yù)測LED將成為21世紀(jì)的照明光源。家用照明所需的是近于日光色的LED光源,這已成為世界各地?zé)艟摺⒐庠囱芯繖C(jī)構(gòu)競相開發(fā)、努力獲取的技術(shù)目標(biāo)。目前已有幾家著名公司先后推出此類光源樣品。日本Nichia公司在1998年推出白光LED樣品，雖然光效僅為7lm/W，但色溫達(dá)到6000- 6500K，顯色指數(shù)85，已接近日光參數(shù)。日本通商產(chǎn)業(yè)省在1998年投資50億日元啟動(dòng)國家項(xiàng)目“21世紀(jì)的照明”,在世界率先開展日光色LEDs作為 照明光源實(shí)用化的研究,該發(fā)展計(jì)劃將產(chǎn)生更加適應(yīng)市場需要的LED照明設(shè)備,計(jì)劃從2005年起,逐步取代白熾燈和熒光燈。同時(shí),歐洲的Philips、Osram、Siemens等多家公司也全力角逐這一市場。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)2005-2010年全球LED照明市場規(guī)模將逾10億美元。
太陽能與電光源 根據(jù)太陽能供電的特點(diǎn)及電光源技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，在采用單燈照明的場所，可按燈的功率大小來選擇不同類型的光源。
1、50W以上的室辦照明可采用小功率金鹵燈，其規(guī)格有50W、75W、100W、150W，光效大于80lm/W。
2、20-50W范圍的宜采用T5型直管熒光燈，其規(guī)格有21W、28W、35W、49W，光效大于90lm/W。
3、功率在10-20W之間的宜采用T4型直管熒光燈，其規(guī)格有12W、16W、20W、光效大于60lm/W。4、10W以下低瓦數(shù)的光源宜采用T2或T1型熒光燈，光效約50lm/W。
在太陽能電源推廣應(yīng)用上，與其相適應(yīng)的電光源中，20W以下的小功率金鹵燈尚在研制，而商品化的半導(dǎo)體發(fā)光器件（LED的光效還很低，成本也相對的過高。為此采用低壓直流供電的小功率稀土節(jié)能燈代替5-60W的白熾燈較為適宜
LED潛在發(fā)展的方向
LED已被大多數(shù)人認(rèn)識(shí)，也被多數(shù)人看好，認(rèn)為是21世紀(jì)新一代的照明光源。據(jù)目前預(yù)測到2010年左右，可能光效接近50lm/W，所以被炒作得沸沸揚(yáng)揚(yáng)。然而，它畢竟單顆功率在0.1W左右，所以發(fā)出的光通量極為有限。就目前來說必須將許多個(gè)LED 整合在一起才能做成"新的光源"取代白熾燈或緊湊型熒光燈，做成臺(tái)燈、壁燈等燈具，這些實(shí)例已經(jīng)不少。但高昂的價(jià)格，實(shí) 難推廣，到達(dá)有合理的性價(jià)比的年代看來還要等上一段時(shí)間。
那么除了目前大量用于交通信號(hào)燈，應(yīng)急燈以外，是否還有什么非它莫屬的功能呢？美國LD+A今年7月刊登了一則消息：利用LED的控制電壓很低和控制方法簡單的優(yōu)點(diǎn)，將它裝在室內(nèi)天棚中或做成大型燈飾，通過電腦輸出信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)三極管后控制它的開關(guān)狀態(tài)。由于使用了電腦，再多的LED數(shù)量也能方便自如地控制，得到明暗可變顏色可變絢麗多彩的照明效果,并且已有成功的案例。例如在美國"雨林咖啡廳"上做了一個(gè)色彩變幻的彩色天棚，在Hollywood賭場做了一盞色彩斑斕的大型藝術(shù)吊燈。當(dāng)然，將許多個(gè)LED拼在一起做成一盞盞燈后做成標(biāo)志牌，標(biāo)志線也是目前常見的應(yīng)用手法。英國千禧宮高達(dá)100米的支撐柱頂部的每只紅色航空障礙燈就有1萬多顆紅色LED組成。
白色發(fā)光二極管可望取代白熾燈
電燈照明，一經(jīng)推廣，就存在著一些缺陷。白熾燈效率低，加熱鎢絲和燈泡玻璃耗能太多。而且，燈泡容易燒壞，換燈泡時(shí)又有一定的危險(xiǎn)，要登高，還容易觸電。熒光燈是后起之秀，節(jié)電節(jié)能效果不錯(cuò)，但對人的視力有傷害，也易碎，燈管內(nèi)還含有對人體和環(huán)境有害的汞。 據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志透露，相信不久的將來，傳統(tǒng)的燈泡和燈管將被白色發(fā)光二極管取代。早在3年前，已經(jīng)制造出了首只白色發(fā)光二極管�，F(xiàn)在，美國波士頓大學(xué)光學(xué)研究中心的工程師弗雷德.舒伯特,研制出了一種更明亮，更高效的白色發(fā)光二極管。最早研制的發(fā)光二極管，只能發(fā)出紅色的光，用作電子設(shè)備中的指示燈。后來，能發(fā)出黃色綠色和藍(lán)色光的發(fā)光二極管相繼問世，作為交通信號(hào)燈，各國多有應(yīng)用。白色發(fā)光二極管的基礎(chǔ)是藍(lán)色發(fā)光二極管。藍(lán)色發(fā)光二極管是由鋁、銦和氮化合物制成的。當(dāng)它發(fā)出的藍(lán)光射到由鋁、銦和磷化合物組成的結(jié)構(gòu)層時(shí),又會(huì)產(chǎn)生橙色光。而橙光和藍(lán)光混合后，在人眼看來就是白色光。舒伯特說，他研制的白色發(fā)光二極管,其發(fā)光強(qiáng)度分別是熒光燈和白熾燈的4-6倍和15-30倍。發(fā)光面積小于1平方厘米的白色發(fā)光二極管，能發(fā)出相當(dāng)于60瓦燈泡發(fā)出的光,而前者的功率只有3瓦。如果用它來替換全美國的照明燈泡，那么盡管每年照明方面的電耗以3%的比率增加，但單個(gè)燈泡的耗電量大幅度下降了。
白色發(fā)光二極管的另一大優(yōu)點(diǎn)是不易燃燒，壽命很長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，白熾燈的平均壽命為1000-1500小時(shí)，質(zhì)量最好的熒光燈管最多只能使用5萬小時(shí)，這就是說，如果每天開燈10小時(shí)，可以使用15年。
當(dāng)然，燈泡從日常生活中消失還有相當(dāng)長的時(shí)間。現(xiàn)在能制造出的白色發(fā)光二極管還很小，充其量只能用在手電筒內(nèi)。盡管發(fā)明者聲稱增大尺寸并不困難，但還得有一定的過程。另外,由于白色發(fā)光二極管發(fā)出的白光只是一種混合光，藍(lán)色和橙色成分比例不同，就會(huì)發(fā)出不同色調(diào)的白光，就像現(xiàn)在的熒光燈一樣,有明亮白光的、偏藍(lán)色光的及乳白色光的，當(dāng)然，它們都接近白天自然光的色調(diào)。所有這些，都是急待研究的內(nèi)容。 稀土蓄光型微光照明光源大連路明發(fā)光科技股份有限公司研究開發(fā)的長余輝磷光體-蓄光型稀土發(fā)光材料新一代綠色、藍(lán)綠色長余輝磷光體，其發(fā)光、余輝時(shí)間均超過ZnS型和SrS型長余輝磷光體，由大連路明發(fā)光科技股份有限公司在由上海市照明學(xué)會(huì)召開的新一代綠色環(huán)保光源《稀土蓄光型自發(fā)光消防安全標(biāo)志及系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)推廣會(huì)》上展示了這一成果。 這種產(chǎn)品是利用可見光激發(fā)的超長余輝蓄光性熒光粉制品，可取代傳統(tǒng)應(yīng)急照明的自發(fā)光消防安全標(biāo)志。它無需用電，只需在白天或燈光下自然光照，僅照射30多分鐘，便能儲(chǔ)存足夠的激發(fā)能量,在黑暗環(huán)境中持續(xù)發(fā)光暗處自動(dòng)發(fā)光，具有環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、安全等性能,其在國內(nèi)外的建筑裝潢、消防安全、鐵路、公路、劇院、商廈、工藝美術(shù)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
綠色照明中的電感鎮(zhèn)流器90年代初，美國曾經(jīng)有人建議禁止生產(chǎn)電感鎮(zhèn)流器，并要求所有的鎮(zhèn)流器都改為電子式，但沒有得到批準(zhǔn)。相反，到1998年，該國鎮(zhèn)流器年產(chǎn)量中電感鎮(zhèn)流器占2/3，產(chǎn)品全部都是節(jié)能型的。國內(nèi)大量的電感鎮(zhèn)流器仍是30年代以來與熒光燈配套的傳統(tǒng)型老產(chǎn)品，其性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，但功率損耗大。從我國的國情出發(fā)，如果把傳統(tǒng)電感鎮(zhèn)流器更新為節(jié)能型的,將會(huì)取得可觀的節(jié)能效果，而且技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上皆是可行的。 根據(jù)市場信息，國內(nèi)鎮(zhèn)流器近年的銷售量平均約8000萬只。其中，電感鎮(zhèn)流器占90%。倘若有半數(shù)電感鎮(zhèn)流器改用節(jié)能型，按40W熒光燈計(jì)算，每只省4W，年用電2500小時(shí)，可節(jié)省3.6億度電。電感鎮(zhèn)流器通常是一只帶有導(dǎo)磁材料的限流線圈，它與啟輝器配合工作。傳統(tǒng)鎮(zhèn)流器以少量的元件，巧妙地完成了合理的點(diǎn)燈程序,它結(jié)構(gòu)簡單，可靠耐用，價(jià)格低廉，功率因數(shù)可以外加補(bǔ)償，若配用優(yōu)質(zhì)的啟輝器，燈管的平均壽命可以達(dá)到10000小時(shí)以上。
由于電感鎮(zhèn)流器有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)及誘人的實(shí)用價(jià)值，世界各國對其不斷改進(jìn)，并且開發(fā)了節(jié)能型產(chǎn)品。荷蘭飛利浦公司推出35W熒光燈低損耗僅5W。美國鎮(zhèn)流器制造廠商早在1990年就全部生產(chǎn)節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器。電子鎮(zhèn)流器含有較高的諧波量，三次諧波占基波30%以上，需要增加諧波濾波裝置使之符合規(guī)范。另外，因?yàn)樗阈蚍至�，�?huì)使中性線過載而發(fā)生事故。輸入電流諧波含量不借助專門儀器，一般用戶無法測量，這是使用電子鎮(zhèn)流器需要特別注意的。而電感鎮(zhèn)流器相當(dāng)于帶鐵芯的電感線圈,屬于線性電路，只要合理選擇鐵芯及其磁通密度，三次諧波含量極小，一般此問題可不予考慮。電子鎮(zhèn)流器具有高光效、低頻閃低廉，節(jié)能效果顯著，與普通的燈管兼容性強(qiáng)，且易于組織生產(chǎn)，較適合我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和消費(fèi)水平�？梢哉f,提倡和開發(fā)節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器順應(yīng)綠色照明工程發(fā)展的潮流，即實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能又可以節(jié)省投資，是利國利民之計(jì)。 |
