硅襯底發(fā)光二極管 LED照明發(fā)展提速

    美國(guó)進(jìn)步女記者安娜·路易斯·斯特朗有這樣一句名言：“與其咒罵黑暗，不如燃起一支明燭”。人類的征途從黑暗出發(fā)，卻永遠(yuǎn)朝著光明前行。遠(yuǎn)古時(shí)代驅(qū)逐野獸使用的火把，科技革命以來照亮千家萬(wàn)戶的白熾燈都是人們追尋光明的最好證明。

    隨著對(duì)地球資源的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，人類并沒有滿足于現(xiàn)有的照明方法，相反仍在尋找更節(jié)能、更環(huán)保的“光明之源”，發(fā)光二極管正是在這種背景下“橫空出世”。其中摘得年度中國(guó)國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)的“硅襯底高光效GaN基藍(lán)色發(fā)光二極管”技術(shù)為照明產(chǎn)業(yè)“舒筋活骨”，有望加速發(fā)光二極管的商業(yè)化進(jìn)程。

    三條LED照明技術(shù)路線

    發(fā)光二極管，簡(jiǎn)稱LED，是一種能直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)半導(dǎo)體器件。它的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)半導(dǎo)體晶片，晶片一端負(fù)極一端正極，整體被環(huán)氧樹脂包裹。發(fā)電原理在于晶片內(nèi)部P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體構(gòu)成P-N結(jié)，當(dāng)電流通過導(dǎo)線時(shí)，電子就會(huì)從N區(qū)被推向P區(qū)，并以光子的形式發(fā)出能量，產(chǎn)生亮光。

    目前，LED照明產(chǎn)業(yè)是國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，總體來說有這樣三條技術(shù)路線：藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底和硅襯底。藍(lán)寶石襯底是由日本科學(xué)家提出，三位發(fā)明者還榮獲了2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。它的優(yōu)勢(shì)在于生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好；藍(lán)寶石本身穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)高溫過程；此外藍(lán)寶石機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗，因此藍(lán)寶石襯底成了主流選擇。

    第二條技術(shù)道路是碳化硅襯底，也被稱作“貴族路線”，價(jià)格高昂，主要貢獻(xiàn)者獲得美國(guó)總統(tǒng)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)。碳化硅是繼第一代硅、鍺和第二代砷化鎵等材料之后的第三代新型半導(dǎo)體材料。作為襯底材料，它的應(yīng)用廣泛程度僅次于藍(lán)寶石，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等優(yōu)點(diǎn)。這種襯底能夠較好解決散熱問題，在半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域具有重要地位。

    硅襯底路線由我國(guó)南昌大學(xué)與晶能廣電公司的科研工作者提出，與藍(lán)寶石和碳化硅相比，硅具有低成本、大尺寸、高質(zhì)量、可導(dǎo)電等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具前途的藍(lán)光LED襯底材料。硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是水平接觸和垂直接觸，可稱L型電極和V型電極。兩種電極決定了在硅襯底LED芯片內(nèi)部，電流既可以橫向流動(dòng)，也可以縱向流動(dòng)。而縱向流動(dòng)可以增大LED的發(fā)光面積，提高二極管出光效率。此外硅又是導(dǎo)熱良體，器件的導(dǎo)熱性因硅襯底而提升，二極管的使用壽命顯著延長(zhǎng)，可以說高效環(huán)保“兩不誤”，市場(chǎng)前景“有看頭”。

    半導(dǎo)體照明將有助于推廣“光通信”新型高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

    硅襯底LED燈的研發(fā)難道僅僅只解決了照明問題嗎？并不是，半導(dǎo)體是一種介于絕緣體和導(dǎo)體之間的材料，只要條件適宜就能完成“雙重角色轉(zhuǎn)化”。應(yīng)用潛力巨大決定了發(fā)光二極管的研究進(jìn)展勢(shì)必刮起一股連帶效應(yīng)，而這其中，最顯眼的莫過于“光通信”技術(shù)。

    提到“光通信”，最容易聯(lián)想到的典故是“烽火戲諸侯”，然而千萬(wàn)別以為這里說的是光纖通信。它全稱是“可見光通信技術(shù)”，指利用可見光波段作為信息載體。與LED燈“相遇”后，“光通信”技術(shù)有望成為利用半導(dǎo)體照明的光線實(shí)現(xiàn)“有光照就能上網(wǎng)”的新型高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

    據(jù)悉，全球約有440億盞燈具，由此構(gòu)成了一個(gè)巨大的照明網(wǎng)絡(luò)。硅襯底LED燈具有顯著節(jié)能減排價(jià)值，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源節(jié)電40%至80%。只要發(fā)光二極管內(nèi)增添一個(gè)微芯片，節(jié)能光源“秒變”無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射器，數(shù)百億的LED照明設(shè)備將構(gòu)筑一個(gè)巨大的可見光通信網(wǎng)。

    可以設(shè)想，未來每盞燈都可以成為一個(gè)高速網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，轎車、巴士、高鐵、甚至飛機(jī)上都可以借助LED光源高速上網(wǎng)。一些熱議中的概念，如室內(nèi)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、智慧城市、包括國(guó)防通信在內(nèi)都能在“光通信”網(wǎng)絡(luò)中得到“實(shí)惠”。硅襯底LED燈為“互聯(lián)網(wǎng)+”的實(shí)現(xiàn)提供了一種廉價(jià)的接入方法，并且由于它的節(jié)能環(huán)保，在新一輪硬件更新潮流之前就帶來了“綠色紅包”！

    硅襯底技術(shù)路線是唯一有可能沖破國(guó)外專利封鎖的機(jī)會(huì)

    主流技術(shù)路線早已確立，特色技術(shù)路線也已成型，硅襯底LED燈的“顏值”難道只有醒目的“省錢”二字嗎？也不是。我國(guó)是名副其實(shí)的LED產(chǎn)品制造大國(guó)，而這一技術(shù)的研發(fā)令國(guó)際市場(chǎng)形成了“三足鼎立”的穩(wěn)定局面。

    過去，由于美日國(guó)公司長(zhǎng)期壟斷前兩種照明技術(shù)，國(guó)內(nèi)LED企業(yè)限于價(jià)格障礙又多采用藍(lán)寶石技術(shù)路線，這其中布滿了LED巨頭精心埋下的專利地雷。上世紀(jì)90年代，美日企業(yè)為DVD專利激烈廝殺的場(chǎng)景歷歷在目，過去10年，許多國(guó)內(nèi)的LED企業(yè)重蹈覆轍，為此吞下苦果。硅襯底研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，國(guó)外LED大廠“放水養(yǎng)魚”的功夫爐火純青，專利大戰(zhàn)隨時(shí)可能一觸即發(fā)。此時(shí)出場(chǎng)的硅襯底技術(shù)路線無(wú)疑是“及時(shí)雨”，成為“唯一有可能沖破國(guó)外專利封鎖的機(jī)會(huì)”。

    縱觀LED發(fā)展史，美國(guó)公司最先開發(fā)出可見光LED，而日本企業(yè)則借助中村修二的氮化鎵研究獲得了藍(lán)光LED。如今我國(guó)校企合作研發(fā)硅襯底技術(shù)，LED發(fā)展之路上有了第三面國(guó)旗，不得不說“科技無(wú)國(guó)界”！

    展望未來十年，硅襯底節(jié)能LED燈，很可能取代普通日照燈和傳統(tǒng)LED燈，走入千家萬(wàn)戶。如前所述，可見光通信技術(shù)搭載LED燈，將有效突破無(wú)線電頻譜承載能力，造就下一代無(wú)線電通信技術(shù)。<