蓝色发光二极管的难点在哪里?

ATLAS-CEPC

如今，LED在日常生活中已被广泛使用，在我国推广节能照明的政策下，生产LED的厂家不计其数。这种种迹象让人们理所当然地认为，和电脑、智能手机相比，这么个小小的灯管没有太多的科学含量。以前，我也是这么认为。
但实际上，我国铺天盖地的光伏企业所做的，仅仅是对LED的封装工作。这和电脑的生产十分相似，大大小小的企业只是把各个零件装配起来，牛X一点的企业还会自行设计电脑外形。在LED这个行业，所有的光伏企业，技术水平几乎都达不到自行生产LED最核心的部分，即发光二极管的芯片的程度。

简单来说，半导体容易发出红黄光，很难发出蓝光。

要说明制造蓝光LED的困难性，首先得从LED的发光原理说起。发光二极管（Light Emitting Diodes, LED）的发光区域是p-n结，称为有源区（activeregion）。在两端加上电场后，p区的空穴和n区的电子向中央移动，最终在这个区域复合。当然，不是所有的电子-空穴对复合时都会发出光子，能辐射出光子的复合称为辐射性复合（radiative recombination）。这个过程也可以认为是电子从导带（conductionband）跃迁到价带（valence band），并辐射出一个光子，如下图。




所以，辐射光的颜色，或者说辐射光子的能量完全由带隙（band gap）决定。
人们的需求使得半导体工艺迅猛发展，如今已经可以制备很大的单晶硅，即一块相当完美的晶体，缺陷很少。只可惜，第一代半导体硅是间接带隙（indirect bandgap）半导体，发光效率很低。对于电致发光元件来说，通常采用直接带隙（direct bandgap）半导体，发展过程如下图。



然而对于直接带隙半导体，如何获取完美的晶体一直是技术上的难题。II-VI族半导体化合物极容易形成结构上的缺陷，缺乏商业应用的价值，因此被关注更多的是III-V族半导体化合物。在1975年之前，第二代半导体砷化物和磷化物已经实现在红黄光区的明亮发光。由下图可以看到，GaP与GaAs的带隙较小，辐射的光子处于红黄波段。为了实现短波辐射，需要提高磷组分的含量，但这导致发光效率大幅下降。


随着技术的发展，第三代半导体氮化物的优势逐渐显现。图中的纵轴是能隙宽度，可见光范围约为1.5eV-3eV. 由图中可以看到，InN的带隙为1.9eV，对应红光区；而GaN 带隙为3.4eV，对应于紫外光区。通过In与Ga组分配比调节，可以覆盖整个可见光区。
但如此美好的前景被一个残酷的现实击碎了——氮化物的晶体质量无法得到保障。由于GaN与InN晶格常数不同，在高铟组分下，晶格失配导致大量缺陷的产生，严重影响器件的发光效率。之前提到GaAsP在短波段发光效率下降，是物理原理所致；而这里却是生产技术的原因。

蓝光LED的芯片属于是氮化镓材料系，其面临的问题主要有：
1.黄绿光波段缺陷（Green-YellowGap）
从下图可以看出，InGaN与AlGaInP两种材料系的LED在可见光区的两端有很高的外量子效率（即电光转化效率），但在黄绿光区的效率却都明显下降。而其原因已经在前文说明。

2.效率骤降（Efficiency Droop）
在小电流注入下，LED有很高的发光效率。但将注入电流增加至可供使用的程度时，高功率LED的发光效率会产生多于70% 的大幅衰减。这不是由简单的芯片发热引起的，原因未有定论，主要有两种解释：俄歇复合（Auger recombination）与载流子溢出（carrier leakage）。因此，在看到某大型照明企业在官方主页声称自己的研发团队“利用半导体降温技术完全解决了发光效率衰减的问题”时，我只能表示呵呵。


今年的物理诺奖颁发给了蓝光LED的发明者，看到此消息时心里万分感慨。Nakamura的文献我读过很多，他所带领的科研组在91年就已研制p-n结蓝光LED，两年后又制备了双异质结LED. 实现LED的商业化，他们克服的困难大致有以下三类：
1.GaN晶体的生长，减小缺陷密度；
2.有源区结构的设计，提高发光效率；
3.电极的制作，使得金属电极与半导体之间形成欧姆接触（Ohmic contact），从而能使半导体芯片能连入电路。
在今天，LED有源区的设计出现了许多新的结构，用得最多的是多量子阱（Multiquantum Well, MQW）。我国的科研组至今仍未制备出可商业化的LED芯片。虽然节能照明一直受到国家政策的扶持，但这个行业的发展前景却不容乐观。我国大大小小照明企业即使能自行生长LED芯片，但生长用的MOCVD设备折旧是一笔极大的开销，大部分利润流入外国生产设备的厂家。我国某些排名前十的企业甚至只能靠国家补贴生存。LED行业的现状令人唏嘘不已，这也是我放弃这个领域科研的原因。

参考文献：
[1] FA Ponce and DP Bour. Nitride-based semiconductors for blue and green
light-emitting devices. Nature, 386:351–359, 1997.
[2] M George Craford. Leds for solid state lighting and other emerging applications:
status, trends, and challenges. In Optics & Photonics 2005, pages
594101–594101. International Society for Optics and Photonics, 2005.

深V礼

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ATLAS-CEPC

深V礼 发表于 2014-10-22 15:59
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没办法，水帖子而已。。。只求数量不求质量，你懂得。。。

ATLAS-CEPC

深V礼 发表于 2014-10-22 15:59
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深V礼

ATLAS-CEPC 发表于 2014-10-22 16:02
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不要这样说出来