你的位置:首頁 > 光電顯示 > 正文

為何發(fā)光二極管的很難發(fā)出藍(lán)光?

發(fā)布時間: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(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。
  
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(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。
 
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(shè)計電腦外形。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。
 
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(fù)合。當(dāng)然,不是所有的電子-空穴對復(fù)合時都會發(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)躍遷到價帶(valence band),并輻射出一個光子,如下圖。
 
為何發(fā)光二極管的很難發(fā)出藍(lán)光?
 
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,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。
 
 為何發(fā)光二極管的很難發(fā)出藍(lán)光?
 
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(dǎo)致發(fā)光效率大幅下降。
 
 為何發(fā)光二極管的很難發(fā)出藍(lán)光?
 
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。
 
LED面臨的問題
 
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。
 
 為何發(fā)光二極管的很難發(fā)出藍(lán)光?
 
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(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“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,可能還只是噱頭。
 
現(xiàn)在物理諾獎頒發(fā)給了藍(lán)光LED的發(fā)明者,看到此消息時心里萬分感慨。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,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。
 
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請電話或者郵箱聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。
 
 
推薦閱讀:
如何為 FPGA 設(shè)計一款理想的電源?
電源應(yīng)用于LED驅(qū)動器應(yīng)用分析
光纖通信的大功率和高速應(yīng)用
MOM壓力傳感器的改進(jìn)設(shè)計方案解析
BGA封裝與PCB差分互連結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化
要采購晶體么,點這里了解一下價格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉