我國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)近幾年在產(chǎn)量、產(chǎn)值和技術(shù)指標(biāo)等方面均取得突破性發(fā)展。2014年，我國(guó)半導(dǎo)體照明光源、燈具的產(chǎn)值為950億元，同比增長(zhǎng)43.9%。其中，LED照明產(chǎn)品出口為90億美元，同比增長(zhǎng)50%，LED照明滲透率為20%。2015年上半年，LED照明產(chǎn)品同比約增長(zhǎng)23%左右，1～5月份出口為40.8億美元，與去年同期相當(dāng)。
從全球半導(dǎo)體照明的最新動(dòng)態(tài)來(lái)看，全球LED器件光效實(shí)驗(yàn)室水平已超過(guò)300lm/w，產(chǎn)業(yè)化水平達(dá)到150lm/w以上，LED整燈光效實(shí)驗(yàn)室水平達(dá)200lm/w。美國(guó)SSL計(jì)劃目標(biāo)調(diào)整為器件光效產(chǎn)業(yè)化水平達(dá)250lm/w，LED整燈光效產(chǎn)業(yè)化水平達(dá)200lm/w?？傊琇ED照明產(chǎn)品的滲透率、光效等與理論值和目標(biāo)值還有很大差距，技術(shù)上還需要有較大突破。
LED照明技術(shù)呈現(xiàn)八大趨勢(shì)
LED照明技術(shù)涉及面很廣，是多學(xué)科技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)的結(jié)合，其發(fā)展呈現(xiàn)八大技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
一是提高LED照明整燈的能效：LED整燈能效現(xiàn)階段由六部分組成：內(nèi)量子效率、芯片取光效率、封裝效率、熒光粉激發(fā)效率、燈具效率和電源效率。在一定邊界條件下理論值是58%，目前較好的燈具能效也只有30%多，還有很大推進(jìn)空間，上述六項(xiàng)均要達(dá)到90%以上才行，需要技術(shù)上有所突破。
二是提高LED光源的光色質(zhì)量及顯色性表征值：提高LED光源的光色質(zhì)量，要采用RGB多光譜組合，即多芯片組合或多基色熒光粉組合，達(dá)到合理的LED光譜量分布SPD，還要控制主要的光色參數(shù)，如色容差、眩光、光電閃爍等。LED光源顯色性表征是個(gè)長(zhǎng)期爭(zhēng)論的課題，LED光源可實(shí)現(xiàn)多光譜的靈活組合，采用任何一種參數(shù)的顯色性表征，都是有缺陷的，終極的表征可能是以光譜形式。還有專(zhuān)家提出采用色域指數(shù)(GAT)與CRI一起表征光對(duì)色彩的還原。
三是LED照明燈具創(chuàng)新技術(shù)：LED光源、燈具目前是LED照明產(chǎn)業(yè)的重中之重，技術(shù)上要加速燈具造型和控制功能的創(chuàng)新，具體是燈具外觀(guān)形狀創(chuàng)意、尺寸大小靈活、光量按需調(diào)節(jié)、光色靈活變化、安裝位置隨意等。
四是深入開(kāi)展智能照明的研發(fā)及應(yīng)用：智能照明的技術(shù)特點(diǎn)包括開(kāi)放式、分布式、遙控遙測(cè)、兼容性、互動(dòng)性等，是照明技術(shù)和信息技術(shù)的深度融合。在技術(shù)上涉及面廣，關(guān)鍵技術(shù)有發(fā)光模組與驅(qū)動(dòng)電源之間的界面整合等，目前亟須有統(tǒng)一的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行研發(fā)推廣應(yīng)用。
五是大力拓展LED照明應(yīng)用領(lǐng)域：推廣在非視覺(jué)照明系統(tǒng)的應(yīng)用，如醫(yī)療保健、生態(tài)農(nóng)業(yè)、LED可見(jiàn)光通信以及紅外LED和紫外LED的應(yīng)用，這方面內(nèi)容豐富，應(yīng)用技術(shù)正在快速發(fā)展中。LED顯示應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)高清小間距顯示屏和高清可彎曲顯示器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高清LED電視和高清可折疊、可穿戴的顯示裝置。
六是窄光譜LED器件的研究：?jiǎn)蝹€(gè)LED較窄光譜可實(shí)現(xiàn)組合LED光譜靈活性，可在LED顯示中實(shí)現(xiàn)更大的色域空間，是很大的應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)窄光譜LED器件的技術(shù)要從材料外延上有所突破。
七是白光LED器件將逐步轉(zhuǎn)向RGB組合方式：采用RGB組合白光理論上具有更高的光效，并方便燈具調(diào)光、調(diào)色、調(diào)顯色性等，技術(shù)上要重點(diǎn)提升綠光LED光效，RGB組合有可能成為普通照明的主流。
八是天然光照明將是終極目標(biāo)：隨著LED多光譜照明的發(fā)展，人們將更重視節(jié)能照明、健康照明和生態(tài)照明，采用類(lèi)似太陽(yáng)光照明將是最佳選擇，即天然光照明，利用LED技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)，但要解決很多技術(shù)問(wèn)題。
LED照明技術(shù)有很大發(fā)展空間，還需要進(jìn)一步提高整燈的能效和光品質(zhì)。在應(yīng)用上積極推進(jìn)燈具創(chuàng)新的同時(shí)，要不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域，如智能照明、非視覺(jué)照明和高清顯示器;在技術(shù)上要實(shí)現(xiàn)終極目標(biāo)，即天然光照明，為人們提供節(jié)能、健康、舒適的照明環(huán)境。
[NT:PAGE]納米級(jí)發(fā)光新材料技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)
現(xiàn)階段三類(lèi)納米級(jí)發(fā)光新材料的技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，也許是未來(lái)照明的光源。
量子點(diǎn)發(fā)光技術(shù)
量子點(diǎn)發(fā)光技術(shù)近年來(lái)發(fā)展很快，是發(fā)光領(lǐng)域中的新技術(shù)路線(xiàn)。
量子點(diǎn)LED：量子點(diǎn)(QD)是用納米技術(shù)制作，QD顆粒一般在2nm～12nm之間，量子點(diǎn)發(fā)光體由發(fā)光核、半導(dǎo)體殼、有機(jī)配位體組成，如發(fā)光核CdSe(硒化鎘)QD顆粒，其優(yōu)點(diǎn)是：可發(fā)射可見(jiàn)光至紅外，發(fā)光穩(wěn)定，內(nèi)量子效率可達(dá)90%，與LED結(jié)合產(chǎn)生色彩豐富、十分明亮的暖白光。
3D打印QD-LED：普林斯頓大學(xué)首次展示3D打印量子點(diǎn)LED，其底層是由納米銀顆粒構(gòu)成，頂部是兩個(gè)聚合物為銦鎵，量子點(diǎn)是納米級(jí)硒化鎘顆粒，外殼是硫化鋅包裹，上下電極連接后，硒化鎘納米顆粒發(fā)出不同的可見(jiàn)光，將QD-LED打印到具有曲線(xiàn)形表面的裝置上，如接觸透鏡。該技術(shù)將擴(kuò)大到3D打印其他的有源器件，如MEMS、晶體管、太陽(yáng)能電池等。一旦產(chǎn)業(yè)化將是顛覆性創(chuàng)新技術(shù)。
紫外光(UV)QD-LED：美國(guó)圣母大學(xué)正在開(kāi)發(fā)氮化鎵QD，其電子空穴通過(guò)隧道貫穿(電子穿透墊壘的現(xiàn)象)，不是傳統(tǒng)的漂移擴(kuò)散?？砂l(fā)紫外光(UV)的LED，取得很大進(jìn)展，有詳細(xì)的文章報(bào)導(dǎo)。
量子點(diǎn)混合LED：日本廣島大學(xué)研究量子點(diǎn)無(wú)機(jī)/有機(jī)混合發(fā)光二極管，可發(fā)出白光、藍(lán)光，電源電壓6V，有效發(fā)光量的78%來(lái)自硅量子點(diǎn)，提高輸出功率密度350倍。新型LED在常溫常壓下通過(guò)溶液加工過(guò)程，號(hào)稱(chēng)是照明系統(tǒng)上一場(chǎng)新的革命。
量子點(diǎn)電激發(fā)藍(lán)光LED：臺(tái)東大學(xué)與遠(yuǎn)東科大合作研究，以膠體量子點(diǎn)硫化鎘、硫化鋅制作出電激發(fā)藍(lán)光二極管，以類(lèi)似有機(jī)的無(wú)機(jī)材料做出來(lái)，可靠性高，可取代OLED在平板上的應(yīng)用。
量子點(diǎn)背光技術(shù)：嵌入量子點(diǎn)背光源，采用嵌入量子點(diǎn)的光學(xué)薄膜(QDEF)應(yīng)用于LCD背光源，量子點(diǎn)在藍(lán)光LED背光的照射下，發(fā)出紅光、綠光形成RGB白光。提高LED發(fā)光效率，提升LCD色彩飽和度，將LCD色域提升30%，也增加背光亮度，降低能耗，并已產(chǎn)業(yè)化。預(yù)計(jì)這種彩電2015年生產(chǎn)130萬(wàn)臺(tái)，2018年達(dá)1870萬(wàn)臺(tái)。
第二代量子點(diǎn)顯示技術(shù)：浙大兩個(gè)研究小組合作開(kāi)發(fā)，將量子點(diǎn)放入溶液中，具有晶體和溶液的雙重性能，原理上讓電子減緩“步伐”，促使電子與空穴有效相會(huì)復(fù)合，大大提升量子點(diǎn)LED效率、性能和穩(wěn)定性，發(fā)光量子效率可達(dá)100%，RGB彩色豐富。應(yīng)用于顯示和照明上取得突破。
石墨烯發(fā)光技術(shù)：發(fā)現(xiàn)石墨烯發(fā)光是個(gè)新的突破，另外可在石墨烯襯底上生長(zhǎng)第三代半導(dǎo)體。
石墨烯發(fā)光燈泡：哥倫比亞大學(xué)和首爾大學(xué)等單位合作研究，將石墨烯微細(xì)絲附加在金屬電極上，兩邊為SiO2，懸掛在硅襯底的方式。通電流加熱至超過(guò)2500℃，從而發(fā)明亮的光，石墨烯的溫度不會(huì)傳給襯底。利用發(fā)光長(zhǎng)細(xì)絲與硅基板的反彈干涉，可調(diào)整所發(fā)射的光譜，號(hào)稱(chēng)是世界上最薄燈泡，并可應(yīng)用于光通信。該技術(shù)如產(chǎn)業(yè)化將是照明領(lǐng)域的顛覆性創(chuàng)新。
石墨烯LED：清華大學(xué)近期發(fā)布采用二種石墨烯，即氧化石墨烯(GO)和還原石墨烯(rGO)混合組成LED，隨著外加電壓的變化，可改變發(fā)光波長(zhǎng)，這二種界面存在一系列離散的能級(jí)，可在發(fā)光、傳感器、柔性顯示上應(yīng)用。
SiC+石墨烯+GaN薄膜：在SiC圓片上將硅汽化，并將留下的石墨烯薄膜穩(wěn)妥地轉(zhuǎn)移至硅基板上，在此石墨烯襯底上采用直接凡德瓦外延法，生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶GaN薄膜，將大幅度降低半導(dǎo)體組件成本。IBM近期宣稱(chēng)，已掌握這些技術(shù)，將在5年內(nèi)投資30億美元，發(fā)展在石墨烯襯底上生長(zhǎng)高頻晶體管、光探測(cè)器、生物傳感器以及“后Si時(shí)代”組件，首先大幅度降低GaN藍(lán)光成本。
玻璃基板+石墨烯+濺射GaN：東京大學(xué)藤網(wǎng)洋研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在玻璃基板上轉(zhuǎn)印石墨烯多層膜，并在膜上用脈沖濺射法(PSD)形成GaN(AlN+n-GaN+GaN與InGaN多層結(jié)構(gòu)多量子阱MQWs+P-GaN)。其優(yōu)點(diǎn)：生長(zhǎng)GaN品質(zhì)大幅度提升，可制作RGB三原色組合LED，大幅度降低成本。還可制作GaN構(gòu)成的高遷移晶體管(HEMT)，該技術(shù)路線(xiàn)如果獲得產(chǎn)業(yè)化，將是顛覆性的創(chuàng)新。
Si+石墨烯+分子束外延GaN：西班牙Graphenea公司宣布，與日本立命館大學(xué)、麻省理工大學(xué)、首爾大學(xué)、韓國(guó)東國(guó)大學(xué)合作用普通化學(xué)氣相沉積法(CVD)在銅箔上形成石墨烯，直接轉(zhuǎn)印在硅基板上，然后在石墨烯上采用射頻等離子輔助分子束外延法(RF-MBE)生長(zhǎng)GaN晶體，具有六角形對(duì)稱(chēng)性是沿C軸向生長(zhǎng)，是從Si(100)面上生長(zhǎng)的GaN晶體，實(shí)現(xiàn)了最高品質(zhì)。
上述三種石墨烯襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN技術(shù)，均不采用MOCVD設(shè)備，生長(zhǎng)效率高、成本低、質(zhì)量高，除了應(yīng)用于發(fā)光、激光之外，均可發(fā)展第三代寬禁帶半導(dǎo)體，這將是顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)。
納米發(fā)光技術(shù)
納米發(fā)光的結(jié)構(gòu)形式是多樣的，這里介紹幾種典型的納米發(fā)光結(jié)構(gòu)形態(tài)。
納米線(xiàn)型LED：波爾研究所研究納米線(xiàn)型LED，其納米線(xiàn)的核是GaN材料，長(zhǎng)度約2微米，直徑約10～500納米，外圍材料是InGaN。二極管中的光是由兩種材料間的機(jī)械張力決定的，這種納米線(xiàn)是可以使用更少的能量提供更高的亮度，更節(jié)能，可用于手機(jī)、電視以及很多形式的燈光，號(hào)稱(chēng)將改變未來(lái)照明世界。
超薄非結(jié)晶電介質(zhì)膜發(fā)光材料：美國(guó)德州農(nóng)機(jī)大學(xué)開(kāi)發(fā)一種發(fā)光芯片，采用在硅晶圓上進(jìn)行室溫濺射沉積方法制成電介質(zhì)膜，其中有納米晶層，可提升發(fā)光密度，在工藝中可與硅IC兼容，工藝簡(jiǎn)單，是新的納米發(fā)光材料。
[NT:PAGE]3D打印“光紙”：美國(guó)德州Rohinni公司利用3D打印光紙(Light paper)，將油墨與微型LED混合印在半導(dǎo)體層上，并夾在另外兩層材料之間，微型LED只有紅血球大小，當(dāng)電子通過(guò)微型LED時(shí)點(diǎn)亮光紙，號(hào)稱(chēng)世界最薄LED燈。
最薄LED：華盛頓大學(xué)研究人員宣布，已開(kāi)發(fā)全球最薄LED，厚度相當(dāng)于3個(gè)原子，這種可折疊的LED，未來(lái)用于便攜式、可靈活穿戴的設(shè)備。
超高速LED：美國(guó)杜克大學(xué)研究通過(guò)金屬納米立方體和黃金膜之間添加熒光分子，實(shí)現(xiàn)高速LED，制造75個(gè)銀納米立方體，并困住其內(nèi)的光，增加光的強(qiáng)度，通過(guò)“珀塞爾效應(yīng)”強(qiáng)化加快，熒光分子發(fā)射光子速度是傳統(tǒng)LED的1000倍，還可作為量子密碼系統(tǒng)的單光子源，支持安全光通信。
接近太陽(yáng)光的LED：意大利InSubria大學(xué)采用納米顆粒面板對(duì)白光LED光源進(jìn)行散射，得到與太陽(yáng)光接近的燈光，利用雷利散射原理，使白光LED陣列擴(kuò)散成“藍(lán)天”效果，或微黃色斑點(diǎn)模擬太陽(yáng)光，已有產(chǎn)品，效果好，可極大提升光色品質(zhì)。
超清可彎曲顯示屏技術(shù)：采用納米技術(shù)制作相變材料PCM，可處二種狀態(tài)所謂GST，晶體態(tài)和玻璃態(tài)，這種GST在電流脈沖下，晶體玻璃態(tài)循環(huán)可超過(guò)100萬(wàn)次/秒。三層材料結(jié)構(gòu)：即導(dǎo)電玻璃+GST+導(dǎo)電玻璃，每層都僅有幾個(gè)納米厚，該技術(shù)可能生產(chǎn)出超薄、超高速、低能耗、高清、可折疊的彩色顯示屏。
其他發(fā)光材料
發(fā)白光的激光器：美國(guó)亞利桑那大學(xué)研制一種可發(fā)R、G、B的激光器，混合成為白光，也可用于光通信，比普通LED快10～100倍。
中村修二采用不同技術(shù)路線(xiàn)，提出激光照明為第三代照明。
磷烯發(fā)光材料：澳洲國(guó)立大學(xué)發(fā)現(xiàn)磷薄層發(fā)光特性，可作PV與LED。
有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)：已進(jìn)入平面照明領(lǐng)域，有人預(yù)測(cè)，將來(lái)會(huì)占照明領(lǐng)域的四分之一。
鈣鈦礦LED：劍橋大學(xué)、牛津大學(xué)等聯(lián)合開(kāi)發(fā)鈣鈦LED，工藝簡(jiǎn)單、成本低，宣稱(chēng)5年后這種LED可產(chǎn)業(yè)化。
納米級(jí)發(fā)光新材料技術(shù)近年來(lái)取得很大進(jìn)展，尤其是量子點(diǎn)發(fā)光、石墨烯發(fā)光和納米發(fā)光等技術(shù)，均具有開(kāi)拓性和顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)，可能是未來(lái)照明的新光源，要引起我們業(yè)內(nèi)的高度重視。
石墨烯襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體，除了應(yīng)用于發(fā)光和激光外，將極大推動(dòng)第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)展，為研制“后硅時(shí)代”高性能組件提供支撐。
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