GaN基LED的发展史与面临的技术挑战

前言：1879年10月22日，托马斯.爱迪生点燃了第一盏白炽灯，此举改变了世界上每一个人的生活，从此，人类逐渐开始使用无燃烧、无烟、无味的光源。时至今日，地球上正在使用的灯泡有300亿个，每年共消耗约2650TWh,占全球电能总消耗的百分之十九。近些年来，受国家节能减排政策的影响，LED在照明市场的份额迅速扩大，不仅在建筑物照明、汽车照明领域常常能看到它的身影，同时LED灯具也进入了寻常百姓家庭，为千家万户带来了光明。本文将就现在比较主流的GaN基LED的发展史以及其外延工艺上面临的挑战做一些简单的介绍。

LED的问世
     1907年，Henry Joseph Round发表了历史上第一份半导体发光效应的报告。1929年，俄罗斯无线电技术人员Oleg Vladimirovich Losev 获得了第一个LED专利。直到1962年，第一个红光LED才问世(Nick   Holonyak与S.F.Bevacqua发明）。自此，LED技术迅猛发展，1968年，第一款商用LED只能发出0.001lm的红光，如今已出现了亮度超过100lm的商用高亮度白光LED。在过去的三十年中，单个LED的光通量每18至24个月增加一倍，同时，单个器件的价格每十年降低至原来的十分之一。这一规律被Roland Haitz首次发现，所以被成为“Haitz定律”。如图1【1】所示。
　　
　　　
　　　
　　　
图1

LED的优点

     电照明在改变人类生活的同时，也带来巨大的能耗，随之而来的是巨大的CO2排放，据估计，在白炽灯和荧光灯主导的年代，全世界每年用于照明的耗电量为2650TWh，占全球发电量的19％。半导体照明不但本身对环境不造成污染,并且，同传统的白炽灯、荧光灯相比,节电效率可达90 %以上，如果白光LED的效率在2025年之前能够达到200lm/W,它极有希望取代目前的荧光灯，预计每年可节约10亿桶石油（相当于减少250个大型核电站的发电量）。与传统照明方式相比，LED具备以下优点：
1.照明系统的能量效率更高
2.寿命长，所需的维护次数少
3.光谱中没有紫外线和红外线,所以没有热量和辐射,废弃物能够被回收,不会对环境造成污染。
4.控制方便,只需调整电流便可随意调光,不同光色的组合变化多端,利用时序控制电路,可以实现丰富多彩的动态变化效果。
5.装置的尺寸更小

发光原理
     LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的PN结。正向偏置时，N型区大量的电子跨过降低的势垒注入到P型区一侧的准中性区（多数载流子注入），随后，进入N型区的电子与P型区的多数载流子空穴发生复合，电子空穴复合过程中会产生光子；与此同时，在P型区的大量的空穴也注入到N型区一侧的准中性区内与N型区的电子发生复合而发出光子，完成电能到光能的转化。

图2 发光原理示意图
     像Si这样的直接带系半导体中，由于电子和空穴的晶格动量不同，所以在带间跃迁的时候，难以保持动量的守恒，因此在间接带隙半导体中的复合主要总过R-G复合中心发生，复合过程中释放的能量转化为热能。另一方面，如GaN这样的直接带隙半导体，电子和空穴的晶格动量近乎相等，这使得注入的大部分载流子借助与带间复合而消除，复合过程中释放的能量转化为光能，光子一旦逃逸出二极管，就成为LED所发的光。
　　　LED的转换率取决于发射的波长，图3为一种直接带隙半导体能带图。