氮化鎵基藍綠光LED和固態光源進展

邢琨+李夢影+曹潔

摘要：我國的發光二極管（LED）技術從1960年代開始起步，并以Ⅲ-Ⅴ族的化合物半導體為基礎發展起來，到目前已經發展成為規模龐大的產業。在1990年代以前LED缺少藍光發光二極管和純綠光發光二極管，因此在1 990年代LED的研究當中融入了氮化鎵 的研究，并利用GaN器件的應用彌補了這一不足之處，成為了極具市場潛力的技術。本文試從發光二極管的發展歷程梳理來探討氮化鎵基和固態光源的發展進程。

【關鍵詞】氮化鎵 藍綠光發光二極管 GaN器件固態光源

發光二極管（LED）和有機發光二極管（OLED）統稱為固態光源。在不可再生能源消耗量日趨增大的今天，世界各國的節能減排政策紛紛聚焦在固態光源所具有的節能優勢之上，這使得固態光源所具有的能耗低、壽命長、色彩十分豐富同時利于控制的特點更加引人注目，這也成為了固態光源發展的重要契機。

1 氮化鎵基藍綠光L印的發展歷程

1.1 氮化鎵基藍綠光LED的技術特色

長久以來，發光二極管的研發過程當中，三基色存在空白，發光二極管的研究當中缺少藍色發光二極管和純綠色的發光二極管。在1990年代中期，發光二極管研究者通過對氮化鎵及其合金的應用，使得鋁鎵銦氮的固溶體禁帶寬度能夠在1.9-2.6eV之間可變，能夠覆蓋所有可見光和紫外波段，這一發現使得氮化鎵迅速發展成為主要的半導體材料，并通過GaN器件的應用使得發光二極管除了白光、紫光之外，也擁有了高亮度的藍光和綠光，擁有十分廣闊的市場發展前景和市場潛力。

1.2 氮化鉀基藍綠光LED發展過程

1990年代初，由于十分成熟的化合物半導體量子阱器件的發展，使得金屬有機物的化學氣相淀技術有了長足的進步，進而催生出基于InGaAIP系的擁有超高亮度的紅光、黃光LED。而到了1990年代中期，制造技術在寬禁帶氮化鎵材料方面獲得突破，從而出現了超高亮度的藍色、綠色LED，標志著發光二極管的三基色空白得到填補，同時也標志著半導體照明燈將取代真空燈泡和日光燈管，成為人類生活中最為主要的照明工具之一。

其中，GaN基器件所研發的超高亮度藍色、綠色LED在設計之初主要應用于全色大屏幕的顯示以及交通信號燈。對于全色大屏幕的顯示來說，室外白光亮度可以控制在4000cd/m²，而室內則可以控制在lOOOcd/m²，極大地提高了節能效率。而交通信號燈的應用除了節能效果之外，還具有極高的安全性。在降低了零部件的維修和更換之外，還極大程度上改善了因過去燈泡燒毀所造成的交通混亂，以及降低了因交通問題所帶來的經濟損失。

隨著時代的不斷發展，氮化鎵基的藍綠光LED的應用更加廣闊，同時在制造工藝上也有了巨大的進步，例如新材料氮化物晶體以及熒光粉的應用，使得各種顏色的超高亮度LED有了突破性進展，發光效率相較于過去提高了1000倍，逐漸成為擁有高效率的照明光源市場主力軍。

2 有機發光二極管的發展歷程

2.1 0LED發展特色的發展難點

OLED是一種與LED不同的新型漫射光源，是近年來備受矚目的一種節能光源。根據色彩，OLED可以分為單色和多彩、全彩三種不同種類，其中尤以全彩的OLED制備最為困難，成本投入也最為巨大。OLED技術是1987年由華裔教授鄧青云于實驗室中通過超透膜技術使用透明導電膜作為陽極并使用三芳胺作空穴傳輸層時所發現的，從而制成了雙層有機電致發光器件。到了1990年，burroughes等人發現OLED的發光層能夠應用共軛高分子PPV，至此，全世界掀起了OLED研究的浪潮，鄧青云教授也被稱為“OLED”之父。

經過十幾年的發展，OLED目前的大面積功效能夠達到40-60lm/W，出度則達到30001m/m²，高于白熾燈，低于熒光燈。然而制約OLED技術應用于普通照明領域最為棘手的問題在于其成本控制和均勻度提高這兩個方面。在以往的OLED產品開發中，始終伴隨著成本過高的現象，直到GE使用了襯底材料并對生產技術和器件設計進行了改進，并成功地利用繞卷式技術降低了OLED的生產成本，使得最新的GE/KM器件最高光效達到了561m/W，亮度達到lOOOcd/m²，同時壽命達到6000小時顯色指數為80。為今后OLED研發生產的成本控制提供了參考。為了提高OLED的均勻性，東芝公司在高亮度大功率的白光OLED生產研發過程中進行了嘗試。東芝公司在OLED襯底上使用凹版印刷技術增加了兩個輔助電極，從而使亮度均勻性得到提高，達到了40%，雖然與理想狀態尚有差距，但仍然是十分具有現實意義的嘗試。

2.2 0LED的發展前景

OLED技術目前主要應用領域集中在手機、智能手表以及VR顯示等領域，尤其在手機領域，相較于傳統LCD屏幕，OLED屏幕的手機發展趨勢正在逐漸形成，并大有燎原之勢。從早期韓國著名手機品牌三星的OLED屏幕的生產和應用，到目前大部分國產手機廠商也在進行著OLED手機屏幕的嘗試，可見OLED技術仍然有著十分廣闊的發展空間和發展潛力。

3 光生物效應及影響

近年來，隨著光能源的發展，一些論證光能源與人體健康之間存在影響關系的說法也逐漸出現。其中一種“藍光傷害”最為引人關注。藍光傷害是指人眼在面對短波可見光時可能會出現早發白內障、老年黃斑變形等疾病。同時法國環境和職業健康安全局成立調查小組，對光能源對人體健康所造成的危害進行了調查評估，初步結論表明，LED光源可能對人體健康造成影響，并造成生理周期的紊亂。因此，在固態光源的發展過程當中，需要注意光源對人體健康的影響，并基于此研發出新的健康型光源。

4 結論

綜上所述，目前世界各國對于環境保護和節能要求不斷提高，給予固態光源以重大的發展契機，固態光源以其所具有的高功效和高節能特效逐漸成為世界上主要的照明能源，而隨著節能要求的不斷提高，正成為照明能源當中的主力。因此結合其發展進程進行分析，可以清楚地了解到固態光源中LED和OLED的發展前景和研發中所應做的努力。

參考文獻

[1]陸大成，段樹坤，氮化鎵基藍綠光LED和固態光源進展[A]，海峽兩岸第七屆照明科技與營銷研討會，2007.

[2]陸大成，段樹坤.氮化鎵基藍綠光LED和固態光源進展[A].海峽兩岸照明科技與營銷研討會，2000.endprint