藍色發光二極管的難點在哪里？

　　如今，LED在日常生活中已被廣泛使用，在我國推廣節能照明的政策下，生產LED的廠家不計其數。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。以前，我也是這么認為。 但實際上，我國鋪天蓋地的光伏企業所做的，僅僅是對LED的封裝工作。這和電腦的生產十分相似，大大小小的企業只是把各個零件裝配起來，牛X一點的企業還會自行設計電腦外形。在LED這個行業，所有的光電企業，技術水平幾乎都達不到自行生產LED最核心的部分，即發光二極管的芯片的程度。

　　簡單來說，半導體容易發出紅黃光，很難發出藍光。

　　要說明制造藍光LED的困難性，首先得從LED的發光原理說起。發光二極管（Light EmitTIng Diodes， LED）的發光區域是p-n結，稱為有源區（acTIve region）。在兩端加上電場后，p區的空穴和n區的電子向中央移動，最終在這個區域復合。當然，不是所有的電子-空穴對復合時都會發出光子，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展，如今已經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，第一代半導體硅是間接帶隙（indirect bandgap）半導體，發光效率很低。對于電致發光元件來說，通常采用直接帶隙（direct bandgap）半導體，發展過程如下圖。

　　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實現在紅黃光區的明亮發光。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。為了實現短波輻射，需要提高磷組分的含量，但這導致發光效率大幅下降。

　　隨著技術的發展，第三代半導體氮化物的優勢逐漸顯現。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；而GaN 帶隙為3.4eV，對應于紫外光區。通過In與Ga組分配比調節，可以覆蓋整個可見光區。 但如此美好的前景被一個殘酷的現實擊碎了——氮化物的晶體質量無法得到保障。由于GaN與InN晶格常數不同，在高銦組分下，晶格失配導致大量缺陷的產生，嚴重影響器件的發光效率。之前提到GaAsP在短波段發光效率下降，是物理原理所致；而這里卻是生產技術的原因。

　　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），但在黃綠光區的效率卻都明顯下降。而其原因已經在前文說明。

　　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的發光效率會產生多于70% 的大幅衰減。這不是由簡單的芯片發熱引起的，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在官方主頁聲稱自己的研發團隊“利用半導體降溫技術完全解決了發光效率衰減的問題”時，我只能表示呵呵。

　　今年的物理諾獎頒發給了藍光LED的發明者，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LED的商業化，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.有源區結構的設計，提高發光效率； 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有源區的設計出現了許多新的結構，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化的LED芯片。雖然節能照明一直受到國家政策的扶持，但這個行業的發展前景卻不容樂觀。我國大大小小照明企業即使能自行生長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設備的廠家。我國某些排名前十的企業甚至只能靠國家補貼生存。LED行業的現狀令人唏噓不已，這也是我放棄這個領域科研的原因。