蓝色发光二极管的难点在哪里?

2014年诺贝尔物理学奖得主的贡献是发明了一种高效而环保的光源——蓝色发光二极管(LED)

红光和绿光LED当时已经问世很久,但是没有蓝光LED的存在,白光灯就无法制造出来。尽管在科学界和工业界都为此付出了巨大的努力,但30年间,蓝光LED都是一项艰巨的挑战。

在其他人都失败之时,他们成功了
http://www.guokr.com/article/439283/

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4个答案
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Fymanon物理学小本

2014-10-13 15:05

有朋友指出,原文中的“光伏企业”和LED不是一回事,这确实是我一时想不起怎么称呼时的误用。光伏和照明所涉及的基本内容一致,区别只是电光和光电转换的问题。本文针对的是电光转换。
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有朋友疑惑,百度百科上明明说了“铟镓氮”二极管发蓝光。这里的铟镓氮就是后面提及的InGaN,即GaN材料系。Nakamura带领的组是在1993年研制出双异质结GaN基LED,而LED显示屏是什么时候才出现的?
这也恰恰证实了我说的“人们理所当然地认为LED没什么科技含量”这一点,因为它在人们的生活中实在太普遍了。这也愈发体现出蓝光LED的重要性。试想,如果没有了蓝光LED,也就没有白光LED照明,那现在的生活会变成怎样?
所以,仔细看看物理诺奖的颁奖词吧,说得丝毫不为过。
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之前实在没有时间回答问题。
今天猛然发现,占了坑后就收获了7个感谢,不写一份靠谱的答案实在不好意思……
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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,所有的光电企业,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(active region)。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(conduction band)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.

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在中村修二之前,科学界非常热衷于研究II-VI族蓝光半导体,就是上面晶格长度-能带宽度图中的ZnMgSeS四边形。但是当GaN和MOCVD配合做出蓝光器件后,大家都成为中村的跟屁虫了。

当初我所在的实验室做出了很好的n型II-VI族半导体,但是就是做不出p型半导体,要么掺杂不进去,要么没有激活。没有P-N结,就做不出高效的发光器件。我最后用金属和n型半导体做了一个肖特基结,可以看到鬼火,电流大了或时间长了就烧坏,勉强交差。

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穷梦诗词科普作家

2014-10-25 20:19
支持者: 欢仔258 闪迪 Fymanon

《喜迁莺·蓝光二极管》
微电子,会空穴,荧晔叹清绝。
高低能隙色泽约,独怅蔚蓝缺。

氮化镓,薄膜造,正负载流跑道。
蓝光乍泄泣魁罡,从此昼无央。

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可是LED显示屏不是已经可以发出蓝光了吗?

(百度百科)
LED显示屏(LED display):一种平板显示器,由一个个小的LED模块面板组成。
LED ,发光二极管(light emitting diode缩写)。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式,由镓(Ga)与(As)、(P)、氮(N)、铟(In)的化合物制成的二极管,当电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯,或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光,铟镓氮二极管发蓝光。

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