发光二极管的发光原理和的应用前景

目前各国政府除了致力于新型能源的开发外，对既有电器设备效能的提升及环保的研究也投注了相当的心力。而在研发如何降低工业用电量的同时，目前普及率约80%的家电用品耗电量也逐渐受到重视。桥堆在照明方面，若使用目前发光效能较高的萤光灯具(66-75lm/W)替换常规使用的60W白炽灯泡，在每年点灯时间为3500小时的情况下来计算，一年约可节约电量约6.89亿度(约8.86万kW)。发光二极管一个很大的特点，是其具备低电流、低电压驱动的省电特性，而这样的特性在世界能源资源缺乏及各国针对绿色环保观念提升之际，特别吸引大家的注意。

萤光灯具虽然具备较高的发光效能、较低的制造成本等优点，但是因为萤光灯具的灯管中含汞，而且用于封装萤光灯具的材料又以可吸收紫外线的玻璃为主，玻璃易碎的特性加上汞废料的不易回收，均会严重地造成环境的污染。因此欧盟已经明令将在2007年开始禁用这些含汞制品，也因此新型照明灯源的开发成为各国政府发展的目标，而LED(lightemittingdiode)，也就是我们平常说的贴片二极管，更是目前各国在照明方面发展的重点。

发光二极管的发光原理

所谓的发光二极管其结构基本上就是常规的p-n二极管，但其主要功能并不是用来整流，而是利用其在加上正偏压后电流通过pn接面时，促使接面部分的电子空穴结合而放光，其发光的特性可参考图1。

而发光二极管所发出光的波长除了决定于二极管所用半导体材料的波长外，也取决于不同材料间的混合比例。图2为各发光材料能带、晶格常量与发光波长间的关系，可以看出目前红、黄、绿光主要是以InGaAlP材料为主，而蓝、绿光则是以InGaN材料为主。

GaN材料的发展——蓝光发光二极管

应用于蓝、绿光发光二极管的材料，早期主要是ZnSe及GaN。因为ZnSe有可靠度的问题，因此才让GaN有更大的发展空间。只是早期GaN的研究迟迟未能获得明显的进展，主要是因为一直无法查找与GaN晶格常量相匹配的基板，造成磊晶中缺陷集成度过高，因此发光效能始终无法提升。另一个造成GaN无法获得突破的原因在于器件的P-GaN部分生成不易，不但P-GaN的掺杂(doping)过低，而且其空穴的移动率(mobility)也较低。这样，一直到1983年日本的田贞史(S。Yoshida)等人在蓝宝石(Sapphire)基板上先用高温成长氮化铝(AlN)当作缓冲层，然后生成出的GaN才获得较佳的结晶，之后名古屋大学的赤崎勇教授(I。Akasaki)等人利用MOCVD在低温下(600oC)先成长AlN缓冲层，而得到其上方在高温成长后如镜面般的GaN。1991年日亚公司(NichiaCo。)的研究员中村修二(S。Nakamura)利用低温成长GaN的非结晶缓冲层，再以高温成长得到同为镜面般的GaN，此时磊晶部分的问题已经获得重大的突破。另一方面，1989年赤崎勇教授利用电子束照射镁(Mg)掺杂的P-GaN，可得到明显的P型GaN，之后日亚公司的中村修二又直接利用700℃的热退火完成P型GaN的制作，至此困扰GaN发展的两个重大问题终获得突破。

1993年，日亚公司利用上面的两项研究，成功开发出可发出一烛光(Candela)的GaN蓝光发光二极管，其寿命达数万小时。而后绿光发光二极管、贴片二极管、蓝、绿光二极管激光陆续被开发出来。

发光二极管的工艺技术

对于半导体发光二极管而言，晶格的匹配是一个重大的课题，因为对于大部分III-V族半导体而言，并没有刚好适合的基板(substrate)可承载上方的磊晶层，而成长的磊晶层其晶格大小必须与基板的晶格匹配，才不至于面对力的因素导致晶格缺陷，使得器件发出的光子被缺陷吸收，而大幅降低器件的发光效能。最早的III-V族半导体异构磊晶(heteroepitaxy)是采用GaAs作基板，并在其上生成GaAlAs的磊晶层，因为这两种材料的晶格非常近似，所以磊晶层与基片之间的应力极小，因此研发过程中并无发生太大的困扰。但是后来陆续发展出来的磊晶如GaAs1-xPx成长在GaAs基板上或是GaAsxP1-x成长在GaP基板上都有应力存在的问题。因此在光电材料中，往往会通过调整二元、三元甚至四元材料的比率，这样一方除了可以借助不同大小的多元原子的比例来匹配基片的晶格结构外，也可通过调整半导体的能隙大小，来调整发光器件发光的波长，这样的方法在磊晶参数的调整上也复杂许多，因此可以看出，整流桥技术可以说是半导体发光器件技术中的核心。

在磊晶方法提升的同时，磊晶的结构也在持续地改良。最早的结构当然是常规p-n接面的发光二极管，但是其发光效能并无法得到明显地改善，因此利用单一异质接面(SingleHeterojunction，SH)结构的方法开始被使用在磊晶的工艺上，可以提高整流桥中少数载子注入(minoritycarrierinjection)效能，因此发光效能获得明显地提升。之后又发展出双异质接面(DoubleHeterojunction，DH)结构，这种结构两边的材料能隙高于中间者，因而可以非常有效的将双边的载子注入到中间层且将这些载子完全困在这一范围内，从而生成非常高的光电转换效能。最新的方法当然是在磊晶层当中采用量子结构，当双异质接面结构的中间层厚度逐渐缩小到数十埃(A)时，电子或空穴即生成量子效应，从而可大幅提升光电转换的效果。

在此所提的磊晶技术主要是针对III-V族材料中发光波长集中在红、黄光波段材料的GaAs系列。这系列的发光二极管发展较早，也较早获得较佳的结果。但是若希望获得全彩的半导体光源，无论如何必须发展出蓝、绿光波段的半导体桥堆，而GaN系列的贴片二极管也有这样的需求，近年来有了明显的进步。文章来源：http://www.hai-dian.com/