发光二极管很难发出蓝光是为什么?

发光二极管

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。

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。

LED发光原理

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,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,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。

LED面临的问题

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,可能还只是噱头。

现在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。