世纪最有前景的未来光源发光二极管

李宗琦

21世纪最有前景的未来光源 - 发光二极管LED

李宗琦 (Charles Lee) 文

记得在电视片“大国崛起”中有这么一段话:“1900年20世纪大幕拉开时,在法国巴黎世界博览会上,爱迪生发明的白炽灯将展览馆照得通明透亮,她的夺目之光开启了电器时代的狂潮,汹涌澎湃,为美国甚至全世界带来百年辉煌。” 可惜这么重大的发明也逃脱不了夕阳无限好,只是近黄昏的命运。跟随澳洲,欧盟的脚步,美国国会在2007年12月18日通过了新的能源法案,规定在未来4年至12年将旧的爱迪生灯泡分阶段换为新一代节能灯泡,这些新灯泡包括节能荧光灯(Compact
Fluorescent Lamp – CFL),

卤素灯泡(Halogen),以及发光二极管(Light Emitting Diode –
LED)。根据新能源法案,从2012年至2014年,所有灯泡必须节能至少25% - 35%,到2020年,所有灯泡必须节能70%。目前节能荧光灯CFL已经达到节能70%的标准,价格约2美元,是传统白炽灯泡价格50分的四倍,而其寿命约3年半,是传统白炽灯泡的6倍,并且每年可节省5美元电费,所以4个月就可收回成本。美中不足的是节能荧光灯的光色不柔和,而且有水银污染回收的问题,效率也比不上未来的发光二极管,不能使用调光器,没有色彩变化。所以尽管2006年在美国卖出2亿支节能荧光灯泡,它仍然只占市场上的极少数,其前途可能比不上LED灯泡那样光辉灿烂。LED灯泡的寿命号称约12年,甚至有人预测可达60年,这意味着一辈子都不须换灯泡了。随着超高亮度白光LED的出现,人们预测21世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

纽约洛克菲勒中心的圣诞树今年改用3万彩色LED装饰

由于LED灯泡具有发光效率高,耗电量少,寿命长,安全可靠性强,极其有利於节能和环保,近年来在景观灯,电视屏,笔记电脑和手机背光源,城市照明,车灯,圣诞树灯,电筒等小型商品方面已开始大量涌现。尽管目前LED价格昂贵,她还是受到环保人士的青睐。就以圣诞树装饰灯为例,传统的圣诞树装饰灯泡是LED灯释放的温室效应气体的9倍,怪不得许多世界著名景点的圣诞树都开始采用LED装扮。请看下面应用LED的一些例子: 


            

                                      纽约时代广场的电视屏看板由高亮度LED显示

  • 美国麻州州长派屈克提倡绿色圣诞,波士顿市麻州政府大楼改用蓝光LED点缀。


  • 美国最著名的地标纽约洛克菲勒中心的圣诞树今年改用LED装饰,纽约市长迈克-布隆伯格(Michael Bloomberg)宣布今年的84呎高的挪威云衫圣诞树用3万彩色LED点亮,耗能将由去年的3510千瓦降低到1297千瓦,等于是节省了一幢2千平呎房子一个月的电费。


  • 有世界十字路口之称的纽约时代广场在2008除夕夜自天而降的水晶球由9576支彩色LED点亮,这些由飞利浦照明(Philips Light)生产的LED镶嵌在672个Waterford水晶三角周围,发出1千6百万种绚丽多姿的颜色,其光芒比去年的传统灯泡亮一倍,但是耗电只等于十个小型面包片烤箱。今年是水晶球的第一百次降落,闪亮的灯辉映着今年庆祝新年的主题:“让世界充满光明”。


  • 据说香港九龙塘的一棵圣诞树高70呎,由一百万支LED点缀。


  • 美国密西根州安阿伯市首创将市中心城市街灯百分之百换成LED灯,他们计划本月开始安装1000盏由CREE公司生产的58瓦的LED。这种灯具的寿命是10年,用以取代120瓦的传统街灯。安阿伯市长海夫杰(John
    Hieftje)说此项目是3年慎密研究成果和安装了25盏试验装置灯之后所做出的决定。市政府已拿到$630,000的经费,而安装了这些灯之后我们一年就能省$100,000,并且减少CO2排放294吨。两年之内计划将市中心城市街灯全部改换为LED,估计将节省市府在照明上支出的一半,和减少每年温室效应气体释放CO2 约2425吨,这相当于减少400辆汽车污染。


  • 中国的媒体大量报道在各地安装LED灯的讯息,例如: 报载被誉为21世纪最有前景的未来光源LED正在崭新的上海南站的南北通道走廊绽放光彩,由不同颜色的LED构成的银河系赋予上海南火车站交通枢纽以更多时尚和前沿的想象。这些LED是飞利浦的产品。


  • 中国科技部批准成立了厦门,上海,大连,南昌,深圳5个国家半导体照明工程产业化基地。厦门鼓浪屿,花旗银行总部,奥运水立方等正在建设一批示范工程。杭州富阳新颖电子公司开发的大功率LED路灯,大功率室内照明灯,太阳能路灯,庭院景观灯,矿灯等系列产品已进入推广应用阶段。他们在北京奥运村首次安装LED太阳能大功率庭院灯,在浙江临安首次安装LED太阳能路灯。2006年6月安装在富阳市花坞路32盏90瓦路灯,运行一年无故障。

   

                      

            杭州富阳新颖电子公司开发的大功率LED路灯


奥运水立方LED景观照明图

 CREE Xlamp 白光LED之一

 CREE Xlamp 白光LED之二

广茂达公司将44万支CREE公司的XLampLED镶嵌在半透明的水立方馆的墙壁上。他们说:“在
水立方照明中,夜晚的水立方将被最大程度展现它的玲珑剔透,恬淡迷人的特征。将延续其水“可变”的特质,通过灯光赋予它一种海水波澜般的动感照明效果可模
拟起伏而波光粼粼的水面,也可通过模拟光在水中的折射、透射和反射,模拟水下光感,需从视觉上达到一定的进深感、体积感和浑然一体感。水波及其带来的光的
变幻为必备主题。配合不同庆典事件的场合、季节转换及现场互动要求,“水立方”可呈现出不同的“表情”--不同的亮度、不同的颜色。在夜晚,这个湛蓝色的水分子建筑会与东面“阳刚”的国家体育场“鸟巢”交相呼应。”此项工程将会成为大功率LED应用领域的里程碑。


LED的发展史        

节能荧光灯       

红绿蓝光LED                                                                 


说起半导体,大家都熟悉晶体管,集成电路,芯片,激光二极管等这些家喻户晓的名词,它们是半导体器件的宠儿,在20世纪的工业化,自动化,电脑化,现代化进程中成为具战略意义的关键元件。发光二极管LED也是一个半导体器件,是一种使用时由正向施加电压的固体发光PN结二极管。在二极管的发展史上,人们首先注意到的是它整流特性,就是说施加正向电压时通过的电流很大,加反向电压通过的电流很小。儿童门玩的矿石收音机的矿石就是一个点接触式二极管。在半导体二极管的基础上,日本人江崎研发出来的隧道二极管甚至使他获得了1973年物理诺贝爾奖。

至于发光二极管,早在1950年代就有人在实验室发现此现象,科学家发现在PN结二极管的两端施加正向电压,促使电流流通,大批带负电的电子和带正电的空穴对流复合,在PN结中介面上释放光子而发光。1955年RCA实验室的鲁本布朗斯坦(Rubin Braunstein)首先报道砷化镓和其它一些半导化合物发出红外线。1961年德州仪器公司的鮑勃毕耳德(Bob Biard)和加里皮特曼(Gary Pittman)发现正向偏压的砷化镓可发出红外光,并有充实的实验数据记录,从而获得了红外发光二极管的专利。1962年GE的尼克霍伦雅克二世(Nick Holonyak Jr)研发出来第一个可见光LED。10年以后,惠普的乔治可雷福特(M. George Craford)研发出第一支发黄光的LED,并将红光和红橙光的LED亮度增大了10倍,随后,惠普/安捷伦/露明莱兹照明的研究团队在他的领导下研发生产了一批世界最高亮度的LED。1977年罗素杜浦依(Rusell Dupuis)首先证明采用“有机金属气相化学沉淀技术”(MOCVD)可以生产高质量半导体薄膜,包括LED。目前MOCVD技术正是量产LED的最佳选择。因为他们对早期LED发展所作的贡献,2002年尼克霍伦雅克二世,乔治可雷福特,和罗素杜浦依三人荣获美国国家技术奖章。

不过真正要探讨LED的发展史和发展趋势,不得不提起两位日本科学家在这领域内所做的重大贡献。众所周知,直到九十年代,生产的LED仅限於红黄色,亮度甚低,在高功率绿蓝色LED方面一直是个瓶颈,因为红蓝绿三原色相加才会成为白色,没有蓝色就意味着无法生产白色LED灯,也就谈不上在照明上的应用。1992年在日亚化学工作的中村修二(Shuji Nakamura)一鸣惊人,发明了高功率氮化镓发光二极管(GaN LED),其发射出的高亮度蓝色光芒与黄色萤光粉涂层配合后射出了高亮度的白光。中村修二发明的热淬火工艺制作P型氮化镓使得1993年大量试验生产蓝光LED成功,1999年蓝紫色LED出货,2001年生产白光LED。他一针见血地指出生产工序中氢气对GaN所起的坏作用,从而完善了生产工序。正是由于中村修二的研究成果,使他获得“蓝光之父”称号。由于他的研究,使日亚化学从一个小公司摇身一变成为世界知名领导企业。产值从20亿日元增至200亿日元。这里边还有一个小插曲:2001年中村修二和他的东家不合,上法庭起诉日亚化学,说他辛苦的研究只得到$180美元红利,太不公平。法院初判他应得1亿8千万美元补偿,经过一番诉讼周折,此案件得以庭外和解,中村修二最后得到7百万美元补偿,这数目在当时科学案件纠纷中也算是一个天价。2006中村修二获芬兰千禧年技术大奖,奖金120万美元。现在他在美国斯坦福大学做研究,兼任著名大厂CREE的技术指导。另外要提及的一位人物是日本的赤崎勇(Isamu Akasaki),号称为“氮化物之父”。他是名古屋大学教授,丰田合成的技术指导,他的贡献是在1989年研发了GaN PN结蓝光LED,此为世界首创。他率先指出MOVPE是生产GaN PN结蓝光LED的最佳技术选项。第三位要提起的人物是日本著名学者梅野正义(Umeno
Masayoshi),他在名古屋大学和赤崎勇先后指导读博士学位的研究生邵春林,从事MOCVD设备开发,使他成为世界一流的光电子研究领域内的专家。邵春林博士于2005年带了一个博士团队回国,致力于中国LED事业发展,他们从日本太阳酸素公司引进三台MOCVD设备,和上海宇体光电,江苏奥雷光电合作,准备生产LED外延片产业链。这件事在2005年10月和11月的中国科技财富杂志上曾有醒目的报道。


  

   

   

     几款常见的LED灯: 红色车灯,变色灯泡,白色LED聚光灯,白色小灯

高亮度白光LED的发明具有重大战略意义

影响LED产业发展最重大的变化,是高亮度白光LED的发明。自1997年白光LED问世后,专家对白光LED进入普通照明领域的可能性进行了深入研究。作为光源,LED的优势体现在三个方面:节能,环保和长寿命。LED不依靠灯丝发热来发光,能量转换效率非常高,理论上可以达到白炽灯10%的能耗,相比荧光灯,LED也可以达到50%节能效果。中国绿色照明工程促进项目办公室做过一个专项调查,我国照明用电每年在3000亿度以上,用LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯,节省1/3的照明用电,就意味着节约1000亿度,相当于一个总投资超过2000亿三峡工程全年的发电量。这无疑具有非同小可的重要意义。同样,美国能源部也有一个类似的预测,到2010年美国一半的白炽灯如果由LED取代的话,仅节约的电费就达到350亿美元。在使用寿命方面,LED采用固体封装,结构牢固,寿命达10万小时,是荧光灯的10倍,白炽灯的100倍。在环保方面,用LED替代荧光灯,避免了荧光灯管破裂溢出汞蒸气的二次污染。

LED应用于照明,目前最大的约束在于价格昂贵,但是人们希望科技的发展将此约束冲破。光电子领域也有所谓“摩尔定律”,安捷伦的前任技术科学家海茲(Roland
Haitz)预测,“LED的价格每十年将降为原来的十分之一,同时发光效率提高20倍!”换句话说10年内LED的性价比将提高200倍。这个预测后来被业界称为海茲定律。正是此预测,给未来的LED产业带来了无限广阔的前景,目前区区几倍几十倍“昂贵”价格,迅速将变得极为低廉。无怪乎国际上重量级科学家都将光电技术列为21世纪最先获得突破的尖端技术,许多企业都将光电子产业作为最优先发展的主导产业,有预测认为,2010至2015年光电子产业可能取代目前包括微电子在内的传统电子工业,而成为21世纪最大的产业。

谁是LED企业界的龙头老大?

LED处于现代版战国争雄的局面,欧美日韩等LED巨头们的产品各有千秋,还分不清是否会有一两家公司脱颖而出成为龙头老大。下面我们来总结一下当今世界上LED的前沿企业。


  • 日亚化学(株)

日亚化学是GaN化合物半导体的开拓者,在LED和激光二极管领域居世界首位之一,在蓝色和白色LED市场遥遥领先于其他同类企业。它以蓝色LED开发而闻名于世,与此同时,它又是以荧光粉为主要产品的规模最大的化工厂,其荧光粉生产在日本国内市场占70%比例,在全球占36%市场,荧光粉除了灯具专用外,还有CRT专用,PDP专用,X光专用等类型,这成为日亚化学扩大LED事业的坚实基础。

  • 丰田合成(株)

在名誉教授赤崎勇的指导下,丰田合成利用公司在薄膜技术上的优势,1987年成功地以蓝宝石作为衬底形成LED电极,业界将丰田合成誉为“蓝色LED的先锋”。


  • 露明莱兹照明(Lumileds Lighting)

创建于1999年,露明莱兹照明是世界著名的LED生产商,在包括自动照明,计算机显示,液晶电视,信号灯,及通用照明在内的固态照明应用领域中居领先地位。它们的专利材料Luxeon是一种用于LED的高功率长寿命发光材料。每年LED的产品达数十亿只,是世界上最亮的红光,琥珀光,蓝光,绿光和白光LED生产商。公司总部在美国加州圣荷西,它在荷兰,日本和马来西亚有分公司。露明莱兹照明的前身是惠普公司的光电子事业部。目前飞利浦照明(Philips
Light)取得了Lumileds公司96.5%的绝对控制权。


  • GELcore

GELcore是GE照明和EMCORE的合资企业,创建于1999年,总部位于美国新泽西州,公司致力于高亮度LED的研究和生产。通过把GE先进的照明技术品牌优势和全球渠道与EMCORE权威的半导体技术相结合,GELcore已经在生产大功率交通信号灯,大型景观灯,和很多特殊照明应用产品。众所周知奇异(GE)是爱迪生白炽灯的大佬,它将来在LED方面的产品必会出类拔萃。


  • 大洋日酸

大洋日酸公司的有机金属气相化学沉淀技术的研究和开发可以追溯到1983年,它在日本80年代整个化合物半导体工业革命大背景下产生。大洋日酸研发了一系列高纯度气体如AsH3,PH3,NH3等专业应用技术,以及用于生产LD和LED的MOCVD设备。它还开发了吸收生产废气的净化系统,并使之商品化。大洋日酸已经向各类客户提供了超过450台的MOCVD设备。


  • CREE

CREE公司建于1987年,位于美国加州,研制开发和生产基于碳化硅(SiC),氮化鎵(GaN),硅(Si)和相关化合物半导体材料与设备。公司的产品包括绿光蓝光和紫外光LED,近紫外激光,射频和微波半导体器件,电源转换设备和半导体集成芯片。公司的大部分利润来自LED产品和SiC基片及GaN材料生产。

  • 欧司朗(OSRAM)

欧司朗是全世界最大的两个照明生产商之一。建于1919年,最大的股东为西门子,其总部位于慕尼黑,共有36000员工。欧司朗已经从传统灯泡厂发展成高科技照明公司。目前大约有1/3收入来自光电半导体和LED。

可以预见,在未来5 – 10年内,发光二极管LED必将大规模逐步完善和取代传统光源。一场光辉灿烂的照明革命如旭日东昇,将给世界带来一片光明。








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