半导体

LED照明技术热点纷呈 纳米级新材料有望成为光源

作者:电子信息产业网来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2015-09-21 17:42我要评论

我国半导体照明产业近几年在产量、产值和技术指标等方面均取得突破性发展。2014年,我国半导体照明光源、灯具的产值为950亿元,同比增长43.9%%。其中,LED照明产品出口为90亿美元,同比增长50%%,LED照明渗透率为20%%。2015年上半年,LED照明产品同比约增长23%%左右,1~5月份出口为40.8亿美元,与去年同期相当。

从全球半导体照明的最新动态来看,全球LED器件光效实验室水平已超过300lm/w,产业化水平达到150lm/w以上,LED整灯光效实验室水平达200lm/w。美国SSL计划目标调整为器件光效产业化水平达250lm/w,LED整灯光效产业化水平达200lm/w。总之,LED照明产品的渗透率、光效等与理论值和目标值还有很大差距,技术上还需要有较大突破。

LED照明技术呈现八大趋势

LED照明技术涉及面很广,是多学科技术与现代信息技术的结合,其发展呈现八大技术发展趋势。

一是提高LED照明整灯的能效

LED整灯能效现阶段由六部分组成:内量子效率、芯片取光效率、封装效率、荧光粉激发效率、灯具效率和电源效率。在一定边界条件下理论值是58%%,目前较好的灯具能效也只有30%%多,还有很大推进空间,上述六项均要达到90%%以上才行,需要技术上有所突破。

二是提高LED光源的光色质量及显色性表征值

提高LED光源的光色质量,要采用RGB多光谱组合,即多芯片组合或多基色荧光粉组合,达到合理的LED光谱量分布SPD,还要控制主要的光色参数,如色容差、眩光、光电闪烁等。LED光源显色性表征是个长期争论的课题,LED光源可实现多光谱的灵活组合,采用任何一种参数的显色性表征,都是有缺陷的,终极的表征可能是以光谱形式。还有专家提出采用色域指数(GAT)与CRI一起表征光对色彩的还原。

三是LED照明灯具创新技术

LED光源、灯具目前是LED照明产业的重中之重,技术上要加速灯具造型和控制功能的创新,具体是灯具外观形状创意、尺寸大小灵活、光量按需调节、光色灵活变化、安装位置随意等。

四是深入开展智能照明的研发及应用

智能照明的技术特点包括开放式、分布式、遥控遥测、兼容性、互动性等,是照明技术和信息技术的深度融合。在技术上涉及面广,关键技术有发光模组与驱动电源之间的界面整合等,目前亟须有统一的基础标准,要根据实际需求进行研发推广应用。

五是大力拓展LED照明应用领域

推广在非视觉照明系统的应用,如医疗保健、生态农业、LED可见光通信以及红外LED和紫外LED的应用,这方面内容丰富,应用技术正在快速发展中。LED显示应用技术重点开发高清小间距显示屏和高清可弯曲显示器技术,实现高清LED电视和高清可折叠、可穿戴的显示装置。

六是窄光谱LED器件的研究

单个LED较窄光谱可实现组合LED光谱灵活性,可在LED显示中实现更大的色域空间,是很大的应用领域,实现窄光谱LED器件的技术要从材料外延上有所突破。

七是白光LED器件将逐步转向RGB组合方式

采用RGB组合白光理论上具有更高的光效,并方便灯具调光、调色、调显色性等,技术上要重点提升绿光LED光效,RGB组合有可能成为普通照明的主流。

八是天然光照明将是终极目标

随着LED多光谱照明的发展,人们将更重视节能照明、健康照明和生态照明,采用类似太阳光照明将是最佳选择,即天然光照明,利用LED技术可以实现,但要解决很多技术问题。

LED照明技术有很大发展空间,还需要进一步提高整灯的能效和光品质。在应用上积极推进灯具创新的同时,要不断拓展应用领域,如智能照明、非视觉照明和高清显示器;在技术上要实现终极目标,即天然光照明,为人们提供节能、健康、舒适的照明环境。

纳米级发光新材料技术发展动态

现阶段三类纳米级发光新材料的技术发展动态,也许是未来照明的光源。

量子点发光技术

量子点发光技术近年来发展很快,是发光领域中的新技术路线。

量子点LED:量子点(QD)是用纳米技术制作,QD颗粒一般在2nm~12nm之间,量子点发光体由发光核、半导体壳、有机配位体组成,如发光核CdSe(硒化镉)QD颗粒,其优点是:可发射可见光至红外,发光稳定,内量子效率可达90%%,与LED结合产生色彩丰富、十分明亮的暖白光。

3D打印QD-LED:普林斯顿大学首次展示3D打印量子点LED,其底层是由纳米银颗粒构成,顶部是两个聚合物为铟镓,量子点是纳米级硒化镉颗粒,外壳是硫化锌包裹,上下电极连接后,硒化镉纳米颗粒发出不同的可见光,将QD-LED打印到具有曲线形表面的装置上,如接触透镜。该技术将扩大到3D打印其他的有源器件,如MEMS、晶体管、太阳能电池等。一旦产业化将是颠覆性创新技术。

紫外光(UV)QD-LED:美国圣母大学正在开发氮化镓QD,其电子空穴通过隧道贯穿(电子穿透垫垒的现象),不是传统的漂移扩散。可发紫外光(UV)的LED,取得很大进展,有详细的文章报导。

量子点混合LED:日本广岛大学研究量子点无机/有机混合发光二极管,可发出白光、蓝光,电源电压6V,有效发光量的78%%来自硅量子点,提高输出功率密度350倍。新型LED在常温常压下通过溶液加工过程,号称是照明系统上一场新的革命。

量子点电激发蓝光LED:台东大学与远东科大合作研究,以胶体量子点硫化镉、硫化锌制作出电激发蓝光二极管,以类似有机的无机材料做出来,可靠性高,可取代OLED在平板上的应用。

量子点背光技术:嵌入量子点背光源,采用嵌入量子点的光学薄膜(QDEF)应用于LCD背光源,量子点在蓝光LED背光的照射下,发出红光、绿光形成RGB白光。提高LED发光效率,提升LCD色彩饱和度,将LCD色域提升30%%,也增加背光亮度,降低能耗,并已产业化。预计这种彩电2015年生产130万台,2018年达1870万台。

第二代量子点显示技术:浙大两个研究小组合作开发,将量子点放入溶液中,具有晶体和溶液的双重性能,原理上让电子减缓“步伐”,促使电子与空穴有效相会复合,大大提升量子点LED效率、性能和稳定性,发光量子效率可达100%%,RGB彩色丰富。应用于显示和照明上取得突破。

石墨烯发光技术

发现石墨烯发光是个新的突破,另外可在石墨烯衬底上生长第三代半导体。

石墨烯发光灯泡:哥伦比亚大学和首尔大学等单位合作研究,将石墨烯微细丝附加在金属电极上,两边为SiO2,悬挂在硅衬底的方式。通电流加热至超过2500℃,从而发明亮的光,石墨烯的温度不会传给衬底。利用发光长细丝与硅基板的反弹干涉,可调整所发射的光谱,号称是世界上最薄灯泡,并可应用于光通信。该技术如产业化将是照明领域的颠覆性创新。

石墨烯LED:清华大学近期发布采用二种石墨烯,即氧化石墨烯(GO)和还原石墨烯(rGO)混合组成LED,随着外加电压的变化,可改变发光波长,这二种界面存在一系列离散的能级,可在发光、传感器、柔性显示上应用。

SiC+石墨烯+GaN薄膜:在SiC圆片上将硅汽化,并将留下的石墨烯薄膜稳妥地转移至硅基板上,在此石墨烯衬底上采用直接凡德瓦外延法,生长高质量单晶GaN薄膜,将大幅度降低半导体组件成本。IBM近期宣称,已掌握这些技术,将在5年内投资30亿美元,发展在石墨烯衬底上生长高频晶体管、光探测器、生物传感器以及“后Si时代”组件,首先大幅度降低GaN蓝光成本。

玻璃基板+石墨烯+溅射GaN:东京大学藤网洋研究团队发表在玻璃基板上转印石墨烯多层膜,并在膜上用脉冲溅射法(PSD)形成GaN(AlN+n-GaN+GaN与InGaN多层结构多量子阱MQWs+P-GaN)。其优点:生长GaN品质大幅度提升,可制作RGB三原色组合LED,大幅度降低成本。还可制作GaN构成的高迁移晶体管(HEMT),该技术路线如果获得产业化,将是颠覆性的创新。

Si+石墨烯+分子束外延GaN:西班牙Graphenea公司宣布,与日本立命馆大学、麻省理工大学、首尔大学、韩国东国大学合作用普通化学气相沉积法(CVD)在铜箔上形成石墨烯,直接转印在硅基板上,然后在石墨烯上采用射频等离子辅助分子束外延法(RF-MBE)生长GaN晶体,具有六角形对称性是沿C轴向生长,是从Si(100)面上生长的GaN晶体,实现了最高品质。

上述三种石墨烯衬底上生长高质量GaN技术,均不采用MOCVD设备,生长效率高、成本低、质量高,除了应用于发光、激光之外,均可发展第三代宽禁带半导体,这将是颠覆性的创新技术。

纳米发光技术

纳米发光的结构形式是多样的,这里介绍几种典型的纳米发光结构形态。

纳米线型LED:波尔研究所研究纳米线型LED,其纳米线的核是GaN材料,长度约2微米,直径约10~500纳米,外围材料是InGaN。二极管中的光是由两种材料间的机械张力决定的,这种纳米线是可以使用更少的能量提供更高的亮度,更节能,可用于手机、电视以及很多形式的灯光,号称将改变未来照明世界。

超薄非结晶电介质膜发光材料:美国德州农机大学开发一种发光芯片,采用在硅晶圆上进行室温溅射沉积方法制成电介质膜,其中有纳米晶层,可提升发光密度,在工艺中可与硅IC兼容,工艺简单,是新的纳米发光材料。

3D打印“光纸”:美国德州Rohinni公司利用3D打印光纸(Light paper),将油墨与微型LED混合印在半导体层上,并夹在另外两层材料之间,微型LED只有红血球大小,当电子通过微型LED时点亮光纸,号称世界最薄LED灯。

最薄LED:华盛顿大学研究人员宣布,已开发全球最薄LED,厚度相当于3个原子,这种可折叠的LED,未来用于便携式、可灵活穿戴的设备。

超高速LED:美国杜克大学研究通过金属纳米立方体和黄金膜之间添加荧光分子,实现高速LED,制造75个银纳米立方体,并困住其内的光,增加光的强度,通过“珀塞尔效应”强化加快,荧光分子发射光子速度是传统LED的1000倍,还可作为量子密码系统的单光子源,支持安全光通信。

接近太阳光的LED:意大利InSubria大学采用纳米颗粒面板对白光LED光源进行散射,得到与太阳光接近的灯光,利用雷利散射原理,使白光LED阵列扩散成“蓝天”效果,或微黄色斑点模拟太阳光,已有产品,效果好,可极大提升光色品质。

超清可弯曲显示屏技术:采用纳米技术制作相变材料PCM,可处二种状态所谓GST,晶体态和玻璃态,这种GST在电流脉冲下,晶体玻璃态循环可超过100万次/秒。三层材料结构:即导电玻璃+GST+导电玻璃,每层都仅有几个纳米厚,该技术可能生产出超薄、超高速、低能耗、高清、可折叠的彩色显示屏。

其他发光材料

发白光的激光器:美国亚利桑那大学研制一种可发R、G、B的激光器,混合成为白光,也可用于光通信,比普通LED快10~100倍。

中村修二采用不同技术路线,提出激光照明为第三代照明。

磷烯发光材料:澳洲国立大学发现磷薄层发光特性,可作PV与LED。

有机发光二极管(OLED):已进入平面照明领域,有人预测,将来会占照明领域的四分之一。

钙钛矿LED:剑桥大学、牛津大学等联合开发钙钛LED,工艺简单、成本低,宣称5年后这种LED可产业化。

纳米级发光新材料技术近年来取得很大进展,尤其是量子点发光、石墨烯发光和纳米发光等技术,均具有开拓性和颠覆性的创新技术,可能是未来照明的新光源,要引起我们业内的高度重视。

石墨烯衬底上生长高质量的晶体,除了应用于发光和激光外,将极大推动第三代宽禁带半导体材料的发展,为研制“后硅时代”高性能组件提供支撑。

(工信部半导体照明技术标准工作组副组长 彭万华)


责任编辑:侯沁
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