显示/光电技术中的超高亮度LED的技术发展和应用分析
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2020-11-11
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显示显示/光电技术中的超高亮度光电技术中的超高亮度LED的技术发展和应用分析的技术发展和应用分析
1 引言 LED已有近30年的发展历程。20世纪70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，遍及国民经济各个部门和千家万户。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，但是由于GaP和GaAsP LED具有寿命长、可
靠性高、工作电流小、可与TTL、CMOS数字电路兼容等许多优点，因而一直受到使用者的青睐。 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
1 引言
LED已有近30年的发展历程。20世纪70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
及国民经济各个部门和千家万户。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，但是由于GaP和GaAsP LED具有寿命长、可靠性高、工作电流小、可与TTL、CMOS数字电路兼容等许多
优点，因而一直受到使用者的青睐。
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的研制进展得十分迅速，现已达到常规材料
GaA1As、GaAsP、GaP不可能达到的性能水平。1991年，东芝公司和美国HP公司研制成InGaAlP 620nm橙色超高亮度
LED，1992年，InGaAlP 590nm$超高亮度LED达到实用化。同年，东芝公司研制的InGaA1P 573nm黄绿色超高亮度LED的
法向光强达2cd。1994年，日亚公司研制成InGaN 450nm蓝（绿）色超高亮度LED。至此，彩色显示所需的三基色红、绿、蓝
以及橙、黄多种颜色的LED都达到了坎德拉级的发光强度，实现了超高亮度化、全色化，使发光管的户外全色显示成为现实。
我国发展LED起步于20世纪70年代，80年代形成产业。全国约有100多家企业，95％的厂家都从事后道封装生产，所需
管芯几乎全部从海外进口。通过几个"五年计划"的技术改造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技术，使我国LED的生
产技术已向前跨进了一步。北京、长春、南昌、上海、山东、河北等地的一些厂家，现已具有GaAs和GaP单晶、外延片、芯
片的批量生产能力。由南昌746厂组建的欣磊光电公司的普亮LED芯片生产线，1998年生产出管芯7亿只，1999年超过10亿
只。信息产业部电子第13研究所下属的河北汇有电力电子公司和河北立德电子公司已分别建成InGaA1P超高亮度LED外延片
和芯片生产线，1999年年底达到年产外延片1万片、芯片1亿只的生产能力，从而改变了我国超高亮度LED外延片、芯片全部
从海外进口的局面。
本文将对超高亮度InGaA1P LED和InGaN LED在汽车指示灯、交通信号灯、大屏幕显示、液晶显示（LCD）的背光照明
等中的应用情况做一简要介绍。
2 超高亮度LED的结构及性能
超高亮度红A1GaAs LED与GaAsP、GaP LED相比，具有更高的发光效率，透明衬底（TS）A1GaAs LED（640nm）的
流明效率已接近10lm/W，比红色GaAsPGaPLED大10倍。超高亮度InGaAlP LED提供的颜色与GaAsP、GaP LED相同，包
括绿$（560nm）、浅绿$（570nm）、$（585nm）、浅黄（590nm）、橙色（605nm）、浅红（625nm）、深红
（640nm）。InGaAlPLED吸收衬底（AS）的流明效率为101m/W，透明衬底（TS）为201m/W，在590nm～626nm的波长范
围内比GaAsP、GaP LED的流明效率要高10倍～20倍；在560nm～570nm的波长范围内比GaAsP、GaP LED高出2倍～4
倍。超高亮度InGaN LED提供了蓝色光和绿色光，其波长范围：蓝色为450nm～480nm，蓝绿色为500nm，绿色为520nm；
其流明效率为3m/W～151m/W。超高亮度LED目前的流明效率已超过带滤光片的白炽灯，可以取代功率1W以内的白炽灯，而
且用LED阵列可以取代功率在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、绿色和蓝色，
而用超高亮度LED则可得到相同的颜色。近年，用AlGaInP材料和InGaN材料制造的超高亮度LED将多个（红、蓝、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。
3 超高亮度LED的应用
3.1 信息指示灯
3.1.1 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，在汽车产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数量级，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AlGaAs和AlInGaP LED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。较低的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的颜色及照明度
有要求。GaP LED早已用于车内，超高亮度AlGaInP和InGaN LED由于在颜色和照明度上可满足制造者的要求，因而将更多
地取代车内白炽灯。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AlGaInP LED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。
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