氮化镓基蓝绿光LED和固态光源进展

邢琨+李梦影+曹洁

摘要：我国的发光二极管（LED）技术从1960年代开始起步，并以Ⅲ-Ⅴ族的化合物半导体为基础发展起来，到目前已经发展成为规模庞大的产业。在1990年代以前LED缺少蓝光发光二极管和纯绿光发光二极管，因此在1 990年代LED的研究当中融入了氮化镓 的研究，并利用GaN器件的应用弥补了这一不足之处，成为了极具市场潜力的技术。本文试从发光二极管的发展历程梳理来探讨氮化镓基和固态光源的发展进程。

【关键词】氮化镓 蓝绿光发光二极管 GaN器件固态光源

发光二极管（LED）和有机发光二极管（OLED）统称为固态光源。在不可再生能源消耗量日趋增大的今天，世界各国的节能减排政策纷纷聚焦在固态光源所具有的节能优势之上，这使得固态光源所具有的能耗低、寿命长、色彩十分丰富同时利于控制的特点更加引人注目，这也成为了固态光源发展的重要契机。

1 氮化镓基蓝绿光L印的发展历程

1.1 氮化镓基蓝绿光LED的技术特色

长久以来，发光二极管的研发过程当中，三基色存在空白，发光二极管的研究当中缺少蓝色发光二极管和纯绿色的发光二极管。在1990年代中期，发光二极管研究者通过对氮化镓及其合金的应用，使得铝镓铟氮的固溶体禁带宽度能够在1.9-2.6eV之间可变，能够覆盖所有可见光和紫外波段，这一发现使得氮化镓迅速发展成为主要的半导体材料，并通过GaN器件的应用使得发光二极管除了白光、紫光之外，也擁有了高亮度的蓝光和绿光，拥有十分广阔的市场发展前景和市场潜力。

1.2 氮化钾基蓝绿光LED发展过程

1990年代初，由于十分成熟的化合物半导体量子阱器件的发展，使得金属有机物的化学气相淀技术有了长足的进步，进而催生出基于InGaAIP系的拥有超高亮度的红光、黄光LED。而到了1990年代中期，制造技术在宽禁带氮化镓材料方面获得突破，从而出现了超高亮度的蓝色、绿色LED，标志着发光二极管的三基色空白得到填补，同时也标志着半导体照明灯将取代真空灯泡和日光灯管，成为人类生活中最为主要的照明工具之一。

其中，GaN基器件所研发的超高亮度蓝色、绿色LED在设计之初主要应用于全色大屏幕的显示以及交通信号灯。对于全色大屏幕的显示来说，室外白光亮度可以控制在4000cd/m²，而室内则可以控制在lOOOcd/m²，极大地提高了节能效率。而交通信号灯的应用除了节能效果之外，还具有极高的安全性。在降低了零部件的维修和更换之外，还极大程度上改善了因过去灯泡烧毁所造成的交通混乱，以及降低了因交通问题所带来的经济损失。

随着时代的不断发展，氮化镓基的蓝绿光LED的应用更加广阔，同时在制造工艺上也有了巨大的进步，例如新材料氮化物晶体以及荧光粉的应用，使得各种颜色的超高亮度LED有了突破性进展，发光效率相较于过去提高了1000倍，逐渐成为拥有高效率的照明光源市场主力军。

2 有机发光二极管的发展历程

2.1 0LED发展特色的发展难点

OLED是一种与LED不同的新型漫射光源，是近年来备受瞩目的一种节能光源。根据色彩，OLED可以分为单色和多彩、全彩三种不同种类，其中尤以全彩的OLED制备最为困难，成本投入也最为巨大。OLED技术是1987年由华裔教授邓青云于实验室中通过超透膜技术使用透明导电膜作为阳极并使用三芳胺作空穴传输层时所发现的，从而制成了双层有机电致发光器件。到了1990年，burroughes等人发现OLED的发光层能够应用共轭高分子PPV，至此，全世界掀起了OLED研究的浪潮，邓青云教授也被称为“OLED”之父。

经过十几年的发展，OLED目前的大面积功效能够达到40-60lm/W，出度则达到30001m/m²，高于白炽灯，低于荧光灯。然而制约OLED技术应用于普通照明领域最为棘手的问题在于其成本控制和均匀度提高这两个方面。在以往的OLED产品开发中，始终伴随着成本过高的现象，直到GE使用了衬底材料并对生产技术和器件设计进行了改进，并成功地利用绕卷式技术降低了OLED的生产成本，使得最新的GE/KM器件最高光效达到了561m/W，亮度达到lOOOcd/m²，同时寿命达到6000小时显色指数为80。为今后OLED研发生产的成本控制提供了参考。为了提高OLED的均匀性，东芝公司在高亮度大功率的白光OLED生产研发过程中进行了尝试。东芝公司在OLED衬底上使用凹版印刷技术增加了两个辅助电极，从而使亮度均匀性得到提高，达到了40%，虽然与理想状态尚有差距，但仍然是十分具有现实意义的尝试。

2.2 0LED的发展前景

OLED技术目前主要应用领域集中在手机、智能手表以及VR显示等领域，尤其在手机领域，相较于传统LCD屏幕，OLED屏幕的手机发展趋势正在逐渐形成，并大有燎原之势。从早期韩国著名手机品牌三星的OLED屏幕的生产和应用，到目前大部分国产手机厂商也在进行着OLED手机屏幕的尝试，可见OLED技术仍然有着十分广阔的发展空间和发展潜力。

3 光生物效应及影响

近年来，随着光能源的发展，一些论证光能源与人体健康之间存在影响关系的说法也逐渐出现。其中一种“蓝光伤害”最为引人关注。蓝光伤害是指人眼在面对短波可见光时可能会出现早发白内障、老年黄斑变形等疾病。同时法国环境和职业健康安全局成立调查小组，对光能源对人体健康所造成的危害进行了调查评估，初步结论表明，LED光源可能对人体健康造成影响，并造成生理周期的紊乱。因此，在固态光源的发展过程当中，需要注意光源对人体健康的影响，并基于此研发出新的健康型光源。

4 结论

综上所述，目前世界各国对于环境保护和节能要求不断提高，给予固态光源以重大的发展契机，固态光源以其所具有的高功效和高节能特效逐渐成为世界上主要的照明能源，而随着节能要求的不断提高，正成为照明能源当中的主力。因此结合其发展进程进行分析，可以清楚地了解到固态光源中LED和OLED的发展前景和研发中所应做的努力。

参考文献

[1]陆大成，段树坤，氮化镓基蓝绿光LED和固态光源进展[A]，海峡两岸第七届照明科技与营销研讨会，2007.

[2]陆大成，段树坤.氮化镓基蓝绿光LED和固态光源进展[A].海峡两岸照明科技与营销研讨会，2000.endprint