為何發(fā)光二極管的很難發(fā)出藍(lán)光?
發(fā)布時(shí)間:2021-05-07 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】隨著LED在日常生活中已被廣泛使用,并在我國(guó)推廣節(jié)能照明的政策下,生產(chǎn)LED的廠家不計(jì)其數(shù)。這種種跡象讓人們理所當(dāng)然地認(rèn)為,和電腦、智能手機(jī)相比,這么個(gè)小小的燈管沒(méi)有太多的科學(xué)含量。
發(fā)光二極管
隨著LED在日常生活中已被廣泛使用,并在我國(guó)推廣節(jié)能照明的政策下,生產(chǎn)LED的廠家不計(jì)其數(shù)。這種種跡象讓人們理所當(dāng)然地認(rèn)為,和電腦、智能手機(jī)相比,這么個(gè)小小的燈管沒(méi)有太多的科學(xué)含量。
但實(shí)際上,我國(guó)鋪天蓋地的光伏企業(yè)所做的,僅僅是對(duì)LED的封裝工作。這和電腦的生產(chǎn)十分相似,大大小小的企業(yè)只是把各個(gè)零件裝配起來(lái),牛X一點(diǎn)的企業(yè)還會(huì)自行設(shè)計(jì)電腦外形。在LED這個(gè)行業(yè),所有的光電企業(yè),技術(shù)水平幾乎都達(dá)不到自行生產(chǎn)LED核心的部分,即發(fā)光二極管的芯片的程度。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),半導(dǎo)體容易發(fā)出紅黃光,很難發(fā)出藍(lán)光。要說(shuō)明制造藍(lán)光LED的困難性,首先得從LED的發(fā)光原理說(shuō)起。
LED發(fā)光原理
發(fā)光二極管(Light EmitTIng Diodes, LED)的發(fā)光區(qū)域是p-n結(jié),稱為有源區(qū)(acTIve region)。在兩端加上電場(chǎng)后,p區(qū)的空穴和n區(qū)的電子向中央移動(dòng),終在這個(gè)區(qū)域復(fù)合。當(dāng)然,不是所有的電子-空穴對(duì)復(fù)合時(shí)都會(huì)發(fā)出光子,能輻射出光子的復(fù)合稱為輻射性復(fù)合(radiaTIve recombinaTIon)。這個(gè)過(guò)程也可以認(rèn)為是電子從導(dǎo)帶(conduction band)躍遷到價(jià)帶(valence band),并輻射出一個(gè)光子,如下圖。
所以,輻射光的顏色,或者說(shuō)輻射光子的能量完全由帶隙(band gap)決定。人們的需求使得半導(dǎo)體工藝迅猛發(fā)展,如今已經(jīng)可以制備很大的單晶硅,即一塊相當(dāng)完美的晶體,缺陷很少。只可惜,代半導(dǎo)體硅是間接帶隙(indirect bandgap)半導(dǎo)體,發(fā)光效率很低。對(duì)于電致發(fā)光元件來(lái)說(shuō),通常采用直接帶隙(direct bandgap)半導(dǎo)體,發(fā)展過(guò)程如下圖。
然而對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體,如何獲取完美的晶體一直是技術(shù)上的難題。II-VI族半導(dǎo)體化合物極容易形成結(jié)構(gòu)上的缺陷,缺乏商業(yè)應(yīng)用的價(jià)值,因此被關(guān)注更多的是III-V族半導(dǎo)體化合物。在1975年之前,第二代半導(dǎo)體砷化物和磷化物已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在紅黃光區(qū)的明亮發(fā)光。由下圖可以看到,GaP與GaAs的帶隙較小,輻射的光子處于紅黃波段。為了實(shí)現(xiàn)短波輻射,需要提高磷組分的含量,但這導(dǎo)致發(fā)光效率大幅下降。
隨著技術(shù)的發(fā)展,第三代半導(dǎo)體氮化物的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。圖中的縱軸是能隙寬度,可見(jiàn)光范圍約為1.5eV-3eV. 由圖中可以看到,InN的帶隙為1.9eV,對(duì)應(yīng)紅光區(qū);而GaN 帶隙為3.4eV,對(duì)應(yīng)于紫外光區(qū)。通過(guò)In與Ga組分配比調(diào)節(jié),可以覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)。
但如此美好的前景被一個(gè)殘酷的現(xiàn)實(shí)擊碎了 —— 氮化物的晶體質(zhì)量無(wú)法得到保障。由于GaN與InN晶格常數(shù)不同,在高銦組分下,晶格失配導(dǎo)致大量缺陷的產(chǎn)生,嚴(yán)重影響器件的發(fā)光效率。之前提到GaAsP在短波段發(fā)光效率下降,是物理原理所致;而這里卻是生產(chǎn)技術(shù)的原因。
LED面臨的問(wèn)題
藍(lán)光LED的芯片屬于是氮化鎵材料系,其面臨的問(wèn)題主要有:1.黃綠光波段缺陷(Green-YellowGap) 從下圖可以看出,InGaN與AlGaInP兩種材料系的LED在可見(jiàn)光區(qū)的兩端有很高的外量子效率(即電光轉(zhuǎn)化效率),但在黃綠光區(qū)的效率卻都明顯下降。而其原因已經(jīng)在前文說(shuō)明。
2.效率驟降(Efficiency Droop) 在小電流注入下,LED有很高的發(fā)光效率。但將注入電流增加至可供使用的程度時(shí),高功率LED的發(fā)光效率會(huì)產(chǎn)生多于70% 的大幅衰減。這不是由簡(jiǎn)單的芯片發(fā)熱引起的,原因未有定論,主要有兩種解釋:俄歇復(fù)合(Auger recombination)與載流子溢出(carrier leakage)。
因此,在看到某大型照明企業(yè)在官方主頁(yè)聲稱自己的研發(fā)團(tuán)隊(duì)“利用半導(dǎo)體降溫技術(shù)完全解決了發(fā)光效率衰減的問(wèn)題”時(shí),可能還只是噱頭。
現(xiàn)在物理諾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了藍(lán)光LED的發(fā)明者,看到此消息時(shí)心里萬(wàn)分感慨。Nakamura的文獻(xiàn)我讀過(guò)很多,他所帶領(lǐng)的科研組在91年就已研制p-n結(jié)藍(lán)光LED,兩年后又制備了雙異質(zhì)結(jié)LED。實(shí)現(xiàn)LED的商業(yè)化,他們克服的困難大致有以下三類:1.GaN晶體的生長(zhǎng),減小缺陷密度;2.有源區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),提高發(fā)光效率;3.電極的制作,使得金屬電極與半導(dǎo)體之間形成歐姆接觸(Ohmic contact),從而能使半導(dǎo)體芯片能連入電路。
在今天,LED有源區(qū)的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了許多新的結(jié)構(gòu),用得多的是多量子阱(Multiquantum Well, MQW)。我國(guó)的科研組至今仍未制備出可商業(yè)化的LED芯片。雖然節(jié)能照明一直受到國(guó)家政策的扶持,但這個(gè)行業(yè)的發(fā)展前景卻不容樂(lè)觀。我國(guó)大大小小照明企業(yè)即使能自行生長(zhǎng)LED芯片,但生長(zhǎng)用的MOCVD設(shè)備折舊是一筆極大的開(kāi)銷,大部分利潤(rùn)流入外國(guó)生產(chǎn)設(shè)備的廠家。我國(guó)某些排名前十的企業(yè)甚至只能靠國(guó)家補(bǔ)貼生存,LED行業(yè)的現(xiàn)狀令人唏噓不已。
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