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硅衬底LED技术助LED照明行业商业化进程加速

2016-01-27 11:41
kumsing
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  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。

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