【導讀】隨著LED在日常生活中已被廣泛使用，并在我國推廣節(jié)能照明的政策下，生產(chǎn)LED的廠家不計其數(shù)。這種種跡象讓人們理所當然地認為，和電腦、智能手機相比，這么個小小的燈管沒有太多的科學含量。
發(fā)光二極管
隨著LED在日常生活中已被廣泛使用，并在我國推廣節(jié)能照明的政策下，生產(chǎn)LED的廠家不計其數(shù)。這種種跡象讓人們理所當然地認為，和電腦、智能手機相比，這么個小小的燈管沒有太多的科學含量。
但實際上，我國鋪天蓋地的光伏企業(yè)所做的，僅僅是對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)只是把各個零件裝配起來，牛X一點的企業(yè)還會自行設計電腦外形。在LED這個行業(yè)，所有的光電企業(yè)，技術水平幾乎都達不到自行生產(chǎn)LED核心的部分，即發(fā)光二極管的芯片的程度。
簡單來說，半導體容易發(fā)出紅黃光，很難發(fā)出藍光。要說明制造藍光LED的困難性，首先得從LED的發(fā)光原理說起。
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，稱為有源區(qū)（acTIve region）。在兩端加上電場后，p區(qū)的空穴和n區(qū)的電子向中央移動，終在這個區(qū)域復合。當然，不是所有的電子-空穴對復合時都會發(fā)出光子，能輻射出光子的復合稱為輻射性復合（radiaTIve recombinaTIon）。這個過程也可以認為是電子從導帶（conduction band）躍遷到價帶（valence band），并輻射出一個光子，如下圖。
所以，輻射光的顏色，或者說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，即一塊相當完美的晶體，缺陷很少。只可惜，代半導體硅是間接帶隙（indirect bandgap）半導體，發(fā)光效率很低。對于電致發(fā)光元件來說，通常采用直接帶隙（direct bandgap）半導體，發(fā)展過程如下圖。
然而對于直接帶隙半導體，如何獲取完美的晶體一直是技術上的難題。II-VI族半導體化合物極容易形成結構上的缺陷，缺乏商業(yè)應用的價值，因此被關注更多的是III-V族半導體化合物。在1975年之前，第二代半導體砷化物和磷化物已經(jīng)實現(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。為了實現(xiàn)短波輻射，需要提高磷組分的含量，但這導致發(fā)光效率大幅下降。
隨著技術的發(fā)展，第三代半導體氮化物的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。圖中的縱軸是能隙寬度，可見光范圍約為1.5eV-3eV. 由圖中可以看到，InN的帶隙為1.9eV，對應紅光區(qū)；而GaN 帶隙為3.4eV，對應于紫外光區(qū)。通過In與Ga組分配比調節(jié)，可以覆蓋整個可見光區(qū)。
但如此美好的前景被一個殘酷的現(xiàn)實擊碎了 —— 氮化物的晶體質量無法得到保障。由于GaN與InN晶格常數(shù)不同，在高銦組分下，晶格失配導致大量缺陷的產(chǎn)生，嚴重影響器件的發(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)技術的原因。
LED面臨的問題
藍光LED的芯片屬于是氮化鎵材料系，其面臨的問題主要有：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在可見光區(qū)的兩端有很高的外量子效率（即電光轉化效率），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，高功率LED的發(fā)光效率會產(chǎn)生多于70% 的大幅衰減。這不是由簡單的芯片發(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)在官方主頁聲稱自己的研發(fā)團隊“利用半導體降溫技術完全解決了發(fā)光效率衰減的問題”時，可能還只是噱頭。
現(xiàn)在物理諾獎頒發(fā)給了藍光LED的發(fā)明者，看到此消息時心里萬分感慨。Nakamura的文獻我讀過很多，他所帶領的科研組在91年就已研制p-n結藍光LED，兩年后又制備了雙異質結LED。實現(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，減小缺陷密度；2.有源區(qū)結構的設計，提高發(fā)光效率；3.電極的制作，使得金屬電極與半導體之間形成歐姆接觸（Ohmic contact），從而能使半導體芯片能連入電路。
在今天，LED有源區(qū)的設計出現(xiàn)了許多新的結構，用得多的是多量子阱（Multiquantum Well， MQW）。我國的科研組至今仍未制備出可商業(yè)化的LED芯片。雖然節(jié)能照明一直受到國家政策的扶持，但這個行業(yè)的發(fā)展前景卻不容樂觀。我國大大小小照明企業(yè)即使能自行生長LED芯片，但生長用的MOCVD設備折舊是一筆極大的開銷，大部分利潤流入外國生產(chǎn)設備的廠家。我國某些排名前十的企業(yè)甚至只能靠國家補貼生存，LED行業(yè)的現(xiàn)狀令人唏噓不已。
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