再谈发展我国InGaAlP红光LED的问题

摘要:本文从缩小国际水平差距和节省电能两方面,谈论在我国发展InGaAlP红光LED的必要性和紧迫性，希望得到政府有关部门的大力支持。
关键词：InGaAlP红光LED；节省电能
一、问题的起源
2003年国家半导体照明工程启动,在召开的一次专家组会议上,对是否继续支持InGaAlP红（橙、黄）光LED的问题形成赞成和不赞成两种意见，不赞成者的主要理由是“863”已经在“九五”期间（1998－2000年）支持过了，已经达到了100mcd,所以没有必要再支持了。结果不赞成者占了上风，最终实施的半导体照明技术路线是蓝光＋荧光分形成白光，而把用于景观照明和形成白光的三基InGaAlP色红光排除在外， 其实，在此之前十五期间863已停止了对InGaAlP红光支持。
2005年在制定半导体照明的“十一五”规划中，对是否继续支持InGaAlP红（橙、黄）光LED的问题，国家半导体照明协调小组尽管主张把InGaAlP红（橙、黄）光LED列入“十一五”规划，但据悉专家们再次形成赞成和不赞成两种意意见。我们作为赞成者虽已作过多次呼吁，仍愿从缩小国际水平差距和节省电能两方面再谈论一下发展我国InGaAlP红光LED的问题。
二、我国InGaAlP红光LED技术现状
InGaAlP超高亮度红（橙、黄）光LED问世于1991年，经过改进的结构如图1所示。我国起步于1996年，南昌欣磊公司首先用进口的InGaAlP外延片制成芯片，1998年国内第一台生产型（AXT2400）MOCVD在河北汇能公司投产，从此结束了我国超高亮度LED外延片全部依赖进口的局面，1999年国内第一条InGaAlP超高亮度红（橙、黄）光LED芯片生产线在河北立德公司建成投产。1998年－2000年InGaAlP超高亮度红（橙、黄）光LED外延片和芯片的产业化列入“863”课题，得到了“863”的大力支持，并将其科研成果转移至厦门三安公司，该公司从外延片到芯片的产业规模目前居国内之首。其次是山东华光公司产品包括外延片和芯片，还有专门生产芯片的厂家还有上海大晨公司、广东奥仑德公司、广东福地公司等。
到目前为止，以上厂家生产的外延片和芯片的技术性能大多为中低档，一直停留在上一世纪90年代初期（1994年）的带有布拉格反射器的GaAs衬底结构，如图1所示,这种结构的发光效率一般仅为10Lm/w左右。
三、我国InGaAlP红光LED差距
提高发光效率，进一步节省电能一直是LED发展的主题，在InGaAlP超高亮度LED问世不久，国外的许多厂家如美国惠普公司等就提出了高光效的新型结构，如图2所示，惠普公司1994年研制的这种透明衬底结构在技术含量和性能水平上均居世界之冠，其低功耗型达到100流明／瓦，功率型的倒梯形结构的发光效率达到了50流明／瓦,与其它结构的比较如图3所示。台湾地区紧随其后，最近几年发展很快，图4给出了InGaAlP超高亮度LED的几种新型结构。除外延片的内量子效率在不断提高外，主要体现在：随着芯片结构的改进，红光的发光效率在不断的提高，不到十年已从10Lm/W提高到30Lm/W, 目前国际市场大量销售的结构是用Si衬底取代GaAs衬底带有金属反射器的结构,流明效率一般为20－30 Lm/W，这种新型结构在国内尚无产品，处于空白状况，目前国内所用的高流明效率的InGaAlP功率型硅衬底LED芯片全部从海外进口。
整个“十五”期间，我国的InGaAlP超高亮度LED由于没有得到有关部门的应有支持，处于停滞不前的状态，特别是在当今已进入广泛应用功率型LED光源的年代，我国的InGaAlP超高亮度LED与国际水平的差距不是在缩小，而是在增大，面对这种状况，将高光效的InGaAlP超高亮度红（橙、黄）光芯片列入“十一、五半导体照明的规划”之中是不容置疑的。
四、节省电能与高光效的InGaAlP超高亮度红光LED密切相关
高光效的InGaAlP超高亮度红光LED与节省电能密切相关。半导体照明可以节省电能已为众人所知，目前一种最流行的估量是未来半导体光源进入家庭实现多色光光合成的白光照明，所节省的电能以三峡电站的发电量来估量，然而LED多年来在单色光（包括红、橙、黄、黄绿色）的广泛应用，所节省的电能之多却更难以估量。
（1）LED节省电能最初来自于红、橙、黄绿色LED指示灯
上一世纪60年代初期用化合物半导体制成LED的问世，使晶体管电子仪器、电气设备中白炽指示灯泡开始被红色、黄色、黄绿色的LED灯所取代。白炽指示灯泡的功耗一般为6.3V×0.3A，为 1.89瓦，而LED的功耗一般为2V×20mA, 仅有0.04瓦（40毫瓦），一个LED指示灯取代白炽指示灯泡所用电能只有原来的2％，如果采用光强增大10倍的InGaAlP超高亮度LED，电流可降低至10毫安或更低,则所用电能为原来的1％。至今LED指示灯对白炽指示灯的取代率早已接近100％，它已遍及国民经济各行各业的电子仪器、电气设备之中，并进入人们家庭所使用的各种家用电器之中，LED指示灯节省的电能之巨大，则是难以估量的。
（2）InGaAlP超高亮度LED发光的单色性具有节省电能的最大的优势
由于InGaAlP超高亮度LED发出的光具有单色性，与白炽灯不同，不需要外加滤光片。白炽灯加滤光片后其有效发光效率仅为原光效的1／10，所以超高亮度LED的单色光，在交通信号灯、标志灯、夜景装饰灯、汽车警示灯、显示屏等应用领域，因其单色光效率高，具有节省电能的明显优势已被广泛采用。InGaAlP红光是三基色之一，因此研制和生产新型高光效的InGaAlP超高亮度红（橙、黄）光LED对节省能源意义重大。
（3）从InGaAlP超高亮度LED用于城市交通信号灯看节能效果
根据美国交通部门较早给出的数据，每个十字路口至少要有12个红色、黄色、蓝绿色信号灯。许多十字路口还有一些附加的转向标志和跨越马路的人行横道警示灯。这样，每个十字路口的信号灯要有20－30个，而且要同时发光。白炽交通信号灯头的造价虽低，但耗电量大，一个直径12英寸的白炽交通信号灯头的耗电量为150W，横过马路人行道的交通警示灯的耗电量为70W。然而LED交通信号灯则非常省电，每个8－12英寸的红色LED交通信号灯耗电量分别为15W和20W，十字路口拐弯处的LED标志可用箭头开关显示，耗电量仅有9w采，用超高亮度LED取代白炽灯后，其耗电量仅为原来的12－15%。
按照我国有关部门提供的数据，我国一般典型的十字路口需要安装四组机动车信号灯，八组人行信号灯。以每组灯每天点亮20小时，采用150W和70W的白炽灯作为光源，全天共用电33.2千瓦时，每年耗电12118千瓦时。2000年全国设市城市663个，以平均每个城市500个路口计，全年仅城市交通信号灯的耗电约40亿千瓦时，采用LED信号灯则可节省电能约为34亿千瓦时, 约占全国照明用电的1.5％,与核能发电相比,我国秦山核电站自1995年并网发电至今，平均每年发电17亿千瓦小时，相当2个秦山核电站。如果考虑InGaAlP超高亮度LED在其他方面的应用，所节省的电能也将是一个更可观的数字。
五、结语
  采用功率LED的半导体照明是21世纪最引人瞩目新技术领域之一, 提高光效进一步节省电能是LED发展的永恒主题,高光效的 InGaAlP超高亮度功率型LED应用于新一代的交通信号灯、标志灯、夜景装饰灯、大屏幕显示、LCD背光源则会显现出更大的节能效果。我们深信“十一五”期间我国的 InGaAlP超高亮度功率型LED一定会得到政府主管部门的大力支持 ，在LED业界的共同努力下，继InGaN蓝光功率型LED之后，我国的InGaAlP超高亮度功率型LED将一定会有一个较大发展。