美國進(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)古時代驅(qū)逐野獸使用的火把,，科技革命以來照亮千家萬戶的白熾燈都是人們追尋光明的最好證明,。
隨著對地球資源的進(jìn)一步認(rèn)識,，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”。其中摘得年度中國國家技術(shù)發(fā)明一等獎的“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,，電子就會從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)是國內(nèi)外重點發(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,。它的優(yōu)勢在于生產(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)寶石機械強度高，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”,，價格高昂,，主要貢獻(xiàn)者獲得美國總統(tǒng)技術(shù)發(fā)明獎。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,。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,，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,，也可以縱向流動,。而縱向流動可以增大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，可以說高效環(huán)?！皟刹徽`”,，市場前景“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)成了一個巨大的照明網(wǎng)絡(luò),。硅襯底LED燈具有顯著節(jié)能減排價值，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)增添一個微芯片,，節(jié)能光源“秒變”無線網(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高速網(wǎng)絡(luò)熱點，轎車,、巴士、高鐵,、甚至飛機上都可以借助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,、包括國防通信在內(nèi)都能在“光通信”網(wǎng)絡(luò)中得到“實惠”。硅襯底LED燈為“互聯(lián)網(wǎng)+”的實現(xiàn)提供了一種廉價的接入方法，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外專利封鎖的機會
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。我國是名副其實的LED產(chǎn)品制造大國,，而這一技術(shù)的研發(fā)令國際市場形成了“三足鼎立”的穩(wěn)定局面,。
過去，由于美日國公司長期壟斷前兩種照明技術(shù),，國內(nèi)LED企業(yè)限于價格障礙又多采用藍(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專利激烈廝殺的場景歷歷在目,，過去10年，許多國內(nèi)的LED企業(yè)重蹈覆轍,，為此吞下苦果,。硅襯底研究團(tuán)隊認(rèn)為，國外LED大廠“放水養(yǎng)魚”的功夫爐火純青,，專利大戰(zhàn)隨時可能一觸即發(fā),。此時出場的硅襯底技術(shù)路線無疑是“及時雨”，成為“唯一有可能沖破國外專利封鎖的機會”,。
縱觀LED發(fā)展史,，美國公司最先開發(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旗，不得不說“科技無國界”,！
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,，走入千家萬戶,。如前所述，可見光通信技術(shù)搭載LED燈,，將有效突破無線電頻譜承載能力,，造就下一代無線電通信技術(shù)。