美國半導(dǎo)體SSL-LED的發(fā)展規(guī)劃

前言
--- 近年來，通用照明白色固體發(fā)光二極管（SSL-LED）發(fā)光技術(shù)的飛速發(fā)展已成為全球性的新技術(shù)熱點(diǎn)，引起了全世界，特別是工業(yè)化國家的密切關(guān)注。能 源問題是困繞著世界各國，特別是工業(yè)化國家的一個(gè)緊迫問題。通用照明在耗費(fèi)電能中占了相當(dāng)大的比例，隨著近幾年來SSL-LED技術(shù)的飛速發(fā)展，美、加等 先進(jìn)的工業(yè)化國家都加快了該領(lǐng)域的發(fā)展步伐，以期實(shí)現(xiàn)在通用發(fā)光領(lǐng)域用白色SSL-LED取代已使用很久的白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電燈的目標(biāo)。顯然，目 前世界各國都在靜悄悄地進(jìn)行著一場通用照明用新技術(shù)的革命，預(yù)期在未來5～10年間SSL-LED市場首先將超過白熾燈，然后是超過熒光燈和高強(qiáng)度放電燈 的應(yīng)用市場。

基于上述的預(yù)測，美國能源部和光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)會共同倡議擬定和制定了兩個(gè)固體發(fā)光照明技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。這兩條路線也是目前全世界正 在走的，即通用照明用無機(jī)LED和有機(jī)LED（ OLED）。前者正是美國能源部、光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)會和國家電子制造廠商協(xié)會共同推重的發(fā)展途徑，比后者更具有優(yōu)勢，而且很有可能最先進(jìn)入通用照明應(yīng)用領(lǐng) 域。

技術(shù)發(fā)展目標(biāo)
為了保持在全世界的領(lǐng)先地位，美國能源部、光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)會和國家電子制造廠商協(xié)會 共同制定了美國2020年前的通用照明用半導(dǎo)體SSL-LED技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，并在2002年對該計(jì)劃執(zhí)行過程中所遇到的技術(shù)難題和發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行了綜合性的 詳細(xì)論證、修改和提升，確定了其具體的發(fā)展性能參數(shù)、發(fā)展進(jìn)度、投資成本和工作成本等。表1列出了半導(dǎo)體SSL-LED在2002～2020年的發(fā)展進(jìn)度 和主要的性能參數(shù)等，并與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電發(fā)光技術(shù)作了詳細(xì)的比較。表1列出的參數(shù)中，除了彩色顯示這一項(xiàng)指標(biāo)外，其他目標(biāo)數(shù)據(jù)的選擇和 確定都是基于經(jīng)濟(jì)競爭能力的因素，而沒有考慮彩色顯示的靈活性和可編程序性等“軟因素”。表1的最后三行還列出了各種發(fā)展技術(shù)投入的投資成本和工作壽命決 定的成本因素。

美國的這一發(fā)展規(guī)劃在時(shí)間上從2002年起共分為三個(gè)階段，前兩個(gè)階段都為5年，而第三個(gè)階段長達(dá)8年；發(fā)光效率的指標(biāo)定位分別是 2002年20lm/W、2002～2007年75lm/W、2007～2012年150lm/W和2012～2020年200lm/W。但從目前世界上 白色SSL-LED的發(fā)光效率為20～30lm/W來看，所定的指標(biāo)已超過了目前的白熾燈泡的發(fā)光效率（16lm/W）。而使用壽命是關(guān)系到這一技術(shù)發(fā)展 前景的又一個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)，該發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃中定的目標(biāo)為20000～100000h，這是目前為止任何非固體發(fā)光裝置都望塵莫及的。最終的總付運(yùn)成本遠(yuǎn)低于 白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電燈的5.63$/(Mlm·h)、1.00$/(Mlm·h)和0.83$/(Mlm·h)。僅這些指標(biāo)就足以顯示出半導(dǎo)體 SSL-LED技術(shù)的優(yōu)越性和終將取代白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電燈技術(shù)的前景。

顯然，該規(guī)劃是按總付運(yùn)成本來確定的，即SSL-LED的總付運(yùn)成本5年內(nèi)要低于白熾燈，10年內(nèi)要低于熒光燈和高強(qiáng)度放電燈。

社會效益和經(jīng)濟(jì)效益
與傳統(tǒng)的照明技術(shù)相比，半導(dǎo)體SSL-LED通用照明技術(shù)具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：體積 小，使用方便靈活；發(fā)光效率高；功耗低，節(jié)省能源；環(huán)境保護(hù)性好；沒有像傳統(tǒng)的照明器具那樣必需使用玻璃真空封裝，無毒氣和汞的污染等；易于維護(hù)和保養(yǎng)； 極長的使用壽命，是傳統(tǒng)照明器具的10倍以上；應(yīng)用范圍更為廣泛，如城市交通指示燈、車輛照明、航空、軍事、工業(yè)和家庭等。

基于以上的原因，半導(dǎo)體SSL-LED通用照明技術(shù)將在以下三方面對美國產(chǎn)生巨大的影響。

● 大幅度地節(jié)省能源消耗量、節(jié)約開支和減少發(fā)電廠；
● 有利于環(huán)境保護(hù)；
● 使人的視覺感受更加豐富和更為舒適。

解決關(guān)鍵性技術(shù)課題的途徑
正如30年前的半導(dǎo)體集成電路正處于幼年時(shí)期一樣，目前的半導(dǎo)體SSL-LED照明也正處于技術(shù)發(fā)展階段，國家在基礎(chǔ)研究方面的主要投資對于加速其發(fā)展和加快其替換傳統(tǒng)的發(fā)光技術(shù)是該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的基本保障，是非常必要的。

從 目前的半導(dǎo)體SSL-LED發(fā)光技術(shù)發(fā)展趨勢來看，表1中列出的發(fā)展目標(biāo)確實(shí)是切合實(shí)際的，而且，這些目標(biāo)也具有前瞻性。所以由大學(xué)、國家實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)界 組成的專家團(tuán)在一起共同對絕大多數(shù)需要進(jìn)行實(shí)質(zhì)性研發(fā)的重要課題進(jìn)行了深入廣泛的研究，達(dá)成了共識，并對這些重要課題進(jìn)行了分類。這些課題包括了長期基礎(chǔ) 研究和短期的工程發(fā)展的內(nèi)容和全過程，解決途徑涵蓋了下面的幾個(gè)方面。

1 襯底、緩沖層和外延生長技術(shù)
要 求在控制AlGaInN四元化合物組分和摻雜量的全過程中必須對外延設(shè)備和機(jī)理要有基本的了解，這對拓寬獲得禁帶納米工程異質(zhì)結(jié)構(gòu)途徑的可能性是必不可少 的。必須通過人造寶石進(jìn)行體生長，或采用厚、薄緩沖層結(jié)合的方式發(fā)展低缺陷密度的GaN或AlN襯底制做出有效驅(qū)動的器件，使每一塊半導(dǎo)體芯片區(qū)的光輸出 達(dá)到最大值，同時(shí)又能保持器件具有高的發(fā)光效率和長壽命。

2 物理學(xué)、加工過程和器件
對光子產(chǎn)生、控制和提取——對自然和激發(fā)發(fā)射兩種結(jié)構(gòu)中物理學(xué)基本知識的全面了解對于最終獲得50%的功率轉(zhuǎn)換效率是必不可少的。新的器件設(shè)計(jì)，特別是無磷白光發(fā)光器件的難度極大，而且費(fèi)用也高。

3 燈泡、發(fā)光裝置和系統(tǒng)
要 求對與固體發(fā)光技術(shù)的現(xiàn)有生產(chǎn)能力和與該項(xiàng)技術(shù)相關(guān)的潛在特點(diǎn)之間存在的關(guān)系有基本的和量化的了解，以便弄清楚固體發(fā)光技術(shù)有哪些特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)固體發(fā)光的途 徑。發(fā)展新的高溫工作和在藍(lán)光或近紫外光譜區(qū)吸收和以近100%量子效率發(fā)射三基色光的低退化特性磷對于獲得高色彩顯示指數(shù)的白光是必不可少的。

結(jié)語
美國根據(jù)全球SSL-LED白色發(fā)光照明技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)況已制定了自己2020年前的發(fā)展規(guī)劃。確定 了符合美國實(shí)情而又領(lǐng)先世界先進(jìn)發(fā)展水平的階段性發(fā)展目標(biāo)。從物理學(xué)、機(jī)理、材料、加工工藝、器件制造、成本到系統(tǒng)應(yīng)用等諸方面全面地考慮了該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展 進(jìn)程中有可能遇到的技術(shù)問題。

由于半導(dǎo)體SSL-LED白色發(fā)光照明技術(shù)采用的是半導(dǎo)體固體發(fā)光技術(shù)，因而具有體積小、重量輕、功耗低、效率高、 耐沖擊、壽命長和未來極低成本等一系列傳統(tǒng)發(fā)光技術(shù)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，在軍用、民用、航空與航天和產(chǎn)業(yè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，是目前全球密切關(guān)注的熱門 新技術(shù)。