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硅衬底发光二极管 LED照明发展提速

时间:2016-02-01 编辑:安森美元器件专卖店

 美国进步女记者安娜·路易斯·斯特朗有这样一句名言:“与其咒骂黑暗,不如燃起一支明烛”。人类的征途从黑暗出发,却永远朝着光明前行。远古时代驱逐野兽使用的火把,科技革命以来照亮千家万户的白炽灯都是人们追寻光明的最好证明。

    随着对地球资源的进一步认识,人类并没有满足于现有的照明方法,相反仍在寻找更节能、更环保的“光明之源”,发光二极管正是在这种背景下“横空出世”。其中摘得年度中国国家技术发明一等奖的“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”技术为照明产业“舒筋活骨”,有望加速发光二极管的商业化进程。

    三条LED照明技术路线

    发光二极管,简称LED,是一种能直接将电能转化为可见光的固态半导体器件。它的核心结构是一个半导体晶片,晶片一端负极一端正极,整体被环氧树脂包裹。发电原理在于晶片内部P型半导体和N型半导体构成P-N结,当电流通过导线时,电子就会从N区被推向P区,并以光子的形式发出能量,产生亮光。

    目前,LED照明产业是国内外重点发展的战略性新兴产业,总体来说有这样三条技术路线:蓝宝石衬底、碳化硅衬底和硅衬底。蓝宝石衬底是由日本科学家提出,三位发明者还荣获了2014年诺贝尔物理学奖。它的优势在于生产技术成熟、器件质量较好;蓝宝石本身稳定性好,能够适应高温过程;此外蓝宝石机械强度高,易于处理和清洗,因此蓝宝石衬底成了主流选择。

    第二条技术道路是碳化硅衬底,也被称作“贵族路线”,价格高昂,主要贡献者获得美国总统技术发明奖。碳化硅是继第一代硅、锗和第二代砷化镓等材料之后的第三代新型半导体材料。作为衬底材料,它的应用广泛程度仅次于蓝宝石,具有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等优点。这种衬底能够较好解决散热问题,在半导体照明技术领域具有重要地位。

    硅衬底路线由我国南昌大学与晶能广电公司的科研工作者提出,与蓝宝石和碳化硅相比,硅具有低成本、大尺寸、高质量、可导电等优点,被认为是最具前途的蓝光LED衬底材料。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式,分别是水平接触和垂直接触,可称L型电极和V型电极。两种电极决定了在硅衬底LED芯片内部,电流既可以横向流动,也可以纵向流动。而纵向流动可以增大LED的发光面积,提高二极管出光效率。此外硅又是导热良体,器件的导热性因硅衬底而提升,二极管的使用寿命显著延长,可以说高效环保“两不误”,市场前景“有看头”。

    半导体照明将有助于推广“光通信”新型高速数据传输技术

    硅衬底LED灯的研发难道仅仅只解决了照明问题吗?并不是,半导体是一种介于绝缘体和导体之间的材料,只要条件适宜就能完成“双重角色转化”。应用潜力巨大决定了发光二极管的研究进展势必刮起一股连带效应,而这其中,最显眼的莫过于“光通信”技术。

    提到“光通信”,最容易联想到的典故是“烽火戏诸侯”,然而千万别以为这里说的是光纤通信。它全称是“可见光通信技术”,指利用可见光波段作为信息载体。与LED灯“相遇”后,“光通信”技术有望成为利用半导体照明的光线实现“有光照就能上网”的新型高速数据传输技术。

    据悉,全球约有440亿盏灯具,由此构成了一个巨大的照明网络。硅衬底LED灯具有显著节能减排价值,能够代替传统光源节电40%至80%。只要发光二极管内增添一个微芯片,节能光源“秒变”无线网络发射器,数百亿的LED照明设备将构筑一个巨大的可见光通信网。

    可以设想,未来每盏灯都可以成为一个高速网络热点,轿车、巴士、高铁、甚至飞机上都可以借助LED光源高速上网。一些热议中的概念,如室内网、物联网、车联网、工业4.0、智慧城市、包括国防通信在内都能在“光通信”网络中得到“实惠”。硅衬底LED灯为“互联网+”的实现提供了一种廉价的接入方法,并且由于它的节能环保,在新一轮硬件更新潮流之前就带来了“绿色红包”!

    硅衬底技术路线是唯一有可能冲破国外专利封锁的机会

    主流技术路线早已确立,特色技术路线也已成型,硅衬底LED灯的“颜值”难道只有醒目的“省钱”二字吗?也不是。我国是名副其实的LED产品制造大国,而这一技术的研发令国际市场形成了“三足鼎立”的稳定局面。

    过去,由于美日国公司长期垄断前两种照明技术,国内LED企业限于价格障碍又多采用蓝宝石技术路线,这其中布满了LED巨头精心埋下的专利地雷。上世纪90年代,美日企业为DVD专利激烈厮杀的场景历历在目,过去10年,许多国内的LED企业重蹈覆辙,为此吞下苦果。硅衬底研究团队认为,国外LED大厂“放水养鱼”的功夫炉火纯青,专利大战随时可能一触即发。此时出场的硅衬底技术路线无疑是“及时雨”,成为“唯一有可能冲破国外专利封锁的机会”。

    纵观LED发展史,美国公司最先开发出可见光LED,而日本企业则借助中村修二的氮化镓研究获得了蓝光LED。如今我国校企合作研发硅衬底技术,LED发展之路上有了第三面国旗,不得不说“科技无国界”!

    展望未来十年,硅衬底节能LED灯,很可能取代普通日照灯和传统LED灯,走入千家万户。如前所述,可见光通信技术搭载LED灯,将有效突破无线电频谱承载能力,造就下一代无线电通信技术。

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