半导体发展现状与发展趋势

半导体发展现状与发展趋势

摘要:半导体照明具有节能、环保、寿命长、尺寸小等优点，能够应用在各种各样的彩色和白色照明领域。发展半导体照明产业具有重大意义,能缓解能源危机，改善环境污染问题，有利于国民经济可持续发展。本文在介绍半导体照明特点的基础上，论述了半导体照明研究进展，分析了我国半导体照明产业发展面临的相关技术问题，最后对半导体照明工程发展趋势作了展望。

关键词：半导体照明、发光二极管、节能与环保

引言：

1879年，爱迪生发明了第一只作为热辐射电光源的碳丝白炽灯，使人类从漫长的火光照明时代进入了电气照明时代，第一次革命性地改变了人们的照明方式，拉开了人类现代文明的帷幕。

照明电光源经历了白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯三代产品，光效不断提高，耗电量不断下降，对人类社会的发展起了至关重要的作用。今天，人们在关注光照效率的同时，更注重照明方式对环境的影响。随着科学技术的进步，又一种新型电光源---发光二极管照明（LED）即半导体照明，真正引发了电光源照明技术的质变，

以其体积小、寿命长、耐闪烁、抗震动、色彩丰富、安全可控、节能环保、无紫外线和红外线辐射等全面优势掀起了第四次电光源技术革命，将电光源照明推进到节能环保的时代。

半导体照明应用的意义，绝不亚于前几次照明领域的技术革命。因为半导体照明将作为最有效的节能和环保的手段，将通过改善人类生存环境、发展照明的新概念和新模式来改善和提高人类的生活质量。

1.半导体照明的特点

1.1 半导体照明的机理

所谓半导体照明，是指利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合，释放出过剩能量引起光子反射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED 的核心PN 结，具有正向导通、反向截止等特性。当PN 结施加正向电压，电流从LED 的阳极流向阴极时，半导体晶体发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流大小有关，电流越大，发光亮度越高[1]。

1.2 半导体照明的优点

在同样亮度下，半导体灯的电能消耗仅为白炽灯的八分之一，因此半导体照明的应用将大大节约能源，同时还将减少二氧化碳的排放量[2]。2003 年，我国照明用电共2292 亿度。按照每年增长5%计算，到2010 年，照明用电可达3225 亿度以上。假如到2010 年有三分之一以上的白炽灯被半导体照明技术所取代，那么一年可节约照明用

电1000 亿度，节省原煤0.5 亿吨，减少废气及尘渣排放量约667 万吨。因此用10～15 年时间，投资50 亿至100 亿元发展半导体照明产业，相当于仅用三峡工程5%的投入，就能再造一个“绿色三峡工程”[3]。除节能与环保外，半导体照明还具有响应速度快、无频闪、长寿命、无辐射、无电磁干扰、无有毒气体等优点[4]。而且，该光源还具有体积小、重量轻、免维护、易控制、使用安全、光效强，以及能适应各种恶劣条件等优点。另外LED 结构简单牢固，其结构中无活动和易损坏的部件，是一种全固体结构，能够经受得住振动和冲击。

2.半导体照明的发展现状[5,6~12]

目前小功率LED 照明只能用于特种照明领域，广泛使用的照明光源还是白光LED。我国LED 产业已有一定的基础，但与国外先进水平相比有较大差距，包括材料、芯片、封装、设备及如何提高发光效率和产品合格率。

（1）光谱质量和光源稳定性问题。与用于显示的光源不同，照明光源对光谱质量和光源稳定性有非常严格的标准，LED 在这点上目前仍有较大差距。灯光的颜色一致性也相当重要，目前LED 器件要满足这个颜色一致性要求还有相当大的困难。

（2）发光效率问题。提高LED 的发光效率最主要的方法是改进半导体发光材料与LED 芯片的结构和制造工艺。

（3）高功率问题。作为普通照明，单个LED输出的光通量必须足够大。小功率LED 组成的照明灯具为了达到照明的需要，必须集中多

个LED 才能达到设计要求，缺点是线路复杂，散热不畅，为平衡各个LED 之间的电流电压关系必须设计复杂的供电电路。相比之下，大功率LED 单体的功率远大于若干个小功率LED 的总和，允许工作电流较大，且供电线路相对简单，散热结构完善，使用寿命更长，所以大功率LED 器件必将代替小功率LED 器件。目前，世界半导体照明技术及产业化竞争焦点集中在蓝光、紫光、白光以及大功率高亮度芯片。但大功率芯片的生产设备国外也尚处于研制阶段，而且大的耗散功率、大的发热量、高的出光效率给封装工艺、设备和材料提出了新的更高的要求。大功率LED 的批量生产目前只有美国的LUMILEDS公司比较成熟，是当前世界上最亮的产品。

（4）散热问题。若LED 管芯结温度超过标准限定值，将导致不可恢复性光强衰减。大功率LED在工作中会产生大量热量，如果在封装方式上不能有效解决散热问题，将会降低其性能并缩短使用寿命，因此有效解决散热和热应力问题至关重要。显然，设计较大输入功率的LED 器件和灯具，除需用面积较大的芯片外，还必须有良好的散热结构。

（5）光学系统设计问题。由于通常LED 发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内，一般灯具中的反射器就不再是必要的光学组件，而往往用透镜作为准直光学组件，然后用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折，产生满足各种照明灯标准要求的光分布。所以要求对LED 照明灯的灯具进行独特的二次光学系统设计。

（6）参数离散性问题。由于LED 照明需由多个LED 管组成，其参

数离散性也是一个技术问题。除了通过预选、分类，尽量保证一致性以外，还必须设计合理的灯具结构和研究合适的驱动电路，防止偶尔产生的能量集中而烧毁部分LED。

（7）电路保护问题。多个LED 组成一只照明灯具时，需要对LED 进行并、串联。如果有一只LED 短路或开路，都将会导致整小片或整条LED熄灭，影响照明效果。为此，必须研究简单而廉价的保护电路，使这种不良影响降至最低限度。

（8）白光LED 寿命问题。随着白光LED 的制造和驱动技术的不断完善，其寿命将会越来越长。由于LED 本身电特性的影响，微小到几毫安的电流波动也会对LED 寿命产生极大的影响。国内目前LED 产品基本上都采用定电压的技术，因此LED 上的电流波动很大，很容易损坏LED，而应用定电压和定电流相结合的技术可确保超高亮度LED 的寿命。

（9）发光材料与器件制造问题。目前国内外都在对直接发射白光的芯片做研究。现阶段半导体发光技术的瓶颈似乎都集中在芯片制造和器件封装上，但从长远来看，新材料的开发是重中之重。现在国外中高档材料，其光电转换效率为30%，而我国只达到10%左右。ZnO 是一种继GaN 之后的新型宽禁带半导体材料，具有很高的室温发光效率。另外，ZnO 材料的生产非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源。因而，今后ZnO 材料的生产是真正意义上的绿色生产，完全符合环保要求。

（10）白光LED 技术路线问题。目前实现超高亮LED 的方法主要