藍(lán)色發(fā)光二極管的難點(diǎn)在哪里？

　　如今，LED在日常生活中已被廣泛使用，在我國推廣節(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，這么個小小的燈管沒有太多的科學(xué)含量。以前，我也是這么認(rèn)為。 但實(shí)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(diǎn)的企業(yè)還會自行設(shè)計(jì)電腦外形。在LED這個行業(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最核心的部分，即發(fā)光二極管的芯片的程度。

　　簡單來說，半導(dǎo)體容易發(fā)出紅黃光，很難發(fā)出藍(lán)光。

　　要說明制造藍(lán)光LED的困難性，首先得從LED的發(fā)光原理說起。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）。在兩端加上電場后，p區(qū)的空穴和n區(qū)的電子向中央移動，最終在這個區(qū)域復(fù)合。當(dāng)然，不是所有的電子-空穴對復(fù)合時(shí)都會發(fā)出光子，能輻射出光子的復(fù)合稱為輻射性復(fù)合（radiaTIve recombinaTIon）。這個過程也可以認(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(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，第一代半導(dǎo)體硅是間接帶隙（indirect bandgap）半導(dǎo)體，發(fā)光效率很低。對于電致發(fā)光元件來說，通常采用直接帶隙（direct bandgap）半導(dǎo)體，發(fā)展過程如下圖。

　　然而對于直接帶隙半導(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(yīng)紅光區(qū)；而GaN 帶隙為3.4eV，對應(yīng)于紫外光區(qū)。通過In與Ga組分配比調(diào)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(shí)擊碎了——氮化物的晶體質(zhì)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(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。

　　藍(lán)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(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(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)光效率衰減的問題”時(shí)，我只能表示呵呵。

　　今年的物理諾獎頒發(fā)給了藍(lán)光LED的發(fā)明者，看到此消息時(shí)心里萬分感慨。Nakamura的文獻(xiàn)我讀過很多，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，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)，用得最多的是多量子阱（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(shè)備折舊是一筆極大的開銷，大部分利潤流入外國生產(chǎn)設(shè)備的廠家。我國某些排名前十的企業(yè)甚至只能靠國家補(bǔ)貼生存。LED行業(yè)的現(xiàn)狀令人唏噓不已，這也是我放棄這個領(lǐng)域科研的原因。