浅谈超高亮度LED及应用

1970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，但由于GaP和GaAsPLED具有长寿命、高可靠性，工作电流小、可与TTL、CMOS数字电路兼容等许多优点因而却一直受到使用者的青眯。

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年日本东芝公司和美国HP公司研制成InGaA1P620nm橙色超高亮度LED，1992年InGaA1p590nm黄色超高亮度LED实用化。同年，东芝公司研制InGaA1P573nm黄绿色超高亮度LED，法向光强达2cd。1994年日本日亚公司研制成InGaN450nm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起步于七十年代，产业出现于八十年代。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国外进口。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。

一、超高亮度LED的性能：

超高亮度红A1GaAsLED与GaAsP-GaPLED相比，具有更高的发光效率，透明衬低(TS)A1GaAsLED(640nm)的流明效率已接近10lm/w，比红色GaAsP-GaPLED大10倍。超高亮度InGaAlPLED提供的颜色与GaAsP-GaPLED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)。透明衬底A1GaInPLED发光效率与其它LED结构及白炽光源的比较，InGaAlPLED吸收衬底(AS)的流明效率为101m/w，透明衬底(TS)为201m/w，在590-626nm的波长范围内比GaAsP-GaPLED的流明效率要高10-20倍;在560-570的波长范围内则比GaAsP-GaPLED高出2-4倍。超高亮度InGaNLED提供了兰色光和绿色光，其波长范围兰色为450-480nm，兰绿色为500nm，绿色为520nm;其流明效率为3-151m/w。超高亮度LED目前的流明效率已超过了带滤光片的白炽灯，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、绿色和兰色，而用超高亮度LED则可得到相同的颜色。近年AlGaInP材料和InGaN材料制造的超高亮度LED将多个(红、兰、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。

二、超高亮度LED的应用：

汽车信号指示：汽车指示灯在车的外部主要是方向灯、尾灯和刹车灯;在车的内部主要是各种仪表的照明和显示。超高亮度LED用于汽车指示灯与传统的白炽灯相比具有许多优点，在汽车工业中有着广泛的市场。LED能够经受较强的机械冲击和震动。平均工作寿命MTBF比白炽灯泡高出几个量级，远远高出汽车本身的工作寿命，因此LED刹车灯可封装成一个整体，而不必考虑维修。透明衬底Al.GaAs和AlInGaPLED与带有滤光片的白炽灯泡相比具有相当高的流明效率，这样LED刹车灯和方向灯就能够在较低的驱动电流下工作，典型的驱动电流只有白炽灯的1/4，从而降低了汽车用于行驶距离。较低的电功率还可降低汽车内部线路系统的体积和重量，同时还可减小集成化的LED信号灯的内部温升，允许透镜和外罩使用耐温性能较低的塑料。LED刹车灯的响应时间为100ns，比白炽灯的响应时间短，这样便给司机留下了更多的反应时间，从而提高了行车的安全保证。汽车的外部指示灯的照度及颜色均有明确规定。汽车的内部照明显示虽不像外部信号灯那样受到政府有关部门的控制，但汽车的制造者对LED的颜色及照度有要求。GaPLED早已用于车内，超高亮度AlGaInP和InGaNLED由于在颜色和照度上可满足制造者的要求，因而将更多的取代车内白炽灯。从价格上看，尽管LED灯与白炽灯相比还是较贵的，但从整个系统来看，二者的价格并没有明显的差别。随着超高亮度TSAlGaAs和AlGaInPLED实用化的发展，最近几年价格一直在不断降低，今后降低的幅度还会更大。

交通信号指示：用超高亮度LED取代白炽灯，用于交通信号灯、警示灯、标志灯现已遍及世界各地，市场广阔，需求量增长很快。根据美国交通部门1994年的统计，美国安装交通信号灯的十字路口有26万个，每个十字路口至少要有12个红色、黄色、蓝绿色信号灯。许多十字路口还有一些附加的转变标志和跨越马路的人行横道警示灯。这样，每个十字路口可有20信号灯，而且要同时发光。由此可推算出美国全国约有1.35亿个交通信号灯。目前采用超高亮度LED取代传统的白炽的灯降低电力损耗已取得明显效果。日本每年在交通信号灯上的耗电量约为100万千瓦，采用超高亮度LED取代白炽灯后，其耗电量仅为原来的12%。

交通信号灯每个国家的主管部门都要制定相应的规范，规定信号的颜色、最低的照明强度，光束空间分布的图样以及对安装环境的要求等。尽管这些要求是按白炽灯编写的，但对目前采用的超高亮度LED交通信号灯基本上是适用的。LED交通信号灯与白炽灯相比，工作寿命较长，一般可达到10年，考虑到户外恶劣环境的影响，预计寿命要减少到5-6年。目前超高亮度AlGaInP红、橙、黄色LED已实现产业化，价格也比较便宜，若用红色超高亮度LED组成的模块取代传统的红色白炽交通信号灯头则可将因红色白炽灯突然失效给安全造成的影响低到最低程度。一般LED交通信号模块由若干组串联的LED单灯组成，以12英寸的红色LED交通信号模块为例，在3-9组串联的LED单灯，每组串联的LED单灯数为70-75个(总数为210-675LED单灯)，当有一个LED单灯失效时，只会影响一组信号，其余各组减小到原来的2/3(67%)或8/9(89%)，并不会像白炽灯那样使整个信号灯头失效。

LED交通信号模块的主要问题是造介仍然显得高些，以12英寸的TS-AlGaAs红色LED交通信号模块为例，最早应用于1994年，其造价为350$，而到1996年性能更好的12英的AlGaInPLED交通信号模块，造价则为200$。

预计今后不会很久，InGaN蓝绿色LED交通信号模块的价格将可与AlGaInP相比。白炽交通信号灯头的造价虽低，但耗电量大，一个直径12英寸的白炽交通信号灯头的耗电量为150W，横过马路人行道的交通警示灯的耗电量为67W，据计算，每个十字路口的白炽信号灯每年的耗电量为18133KWh，折合每年电费为1450$;然而LED交通信号模块则非常省电，每个8-12英寸的红色LED交通信号模块耗电量分别为15W和20W，十字路口拐弯处的LED标志可用箭头开关显示，耗电量仅有9w，据计算，每个十字路口每年可省电9916KWh，相当每年节省电费793$。按每个LED交通信号模块的平均造价200$计，红色LED交通信号模块仅用其节省的电费，3年后即可收回最初的成本造价，并开始不断得到经济回报。因此目前使用AlGaInPLED交通信息模块，尽管造价显得地，但从长看，还是合算的。