半导体发光材料与器件的历史、现状和展望

复旦大学  200433

    可见光发光二极管进人商品化阶段最早要追朔到1962年，当时美国的通用电气公司，制成了发红光的化合物半导体合金，磷砷化镓。它们不甚么亮（＜0.1lm/W，大约比白炽灯效率低150倍L而且很贵，所以售出很少，然而这第一批LED是很重要的，因为它们导致直接加以改进。第一批LED商品是由当时正在通用电气实验室研究室工作的研制出来的，他是Illinois大学的教授。1995年Holonyak教授来到日本接受日本的大奖，以表彰他早期在LED方面和其后在其他领域，特别是长波长半导体激光器方面的成就。

    此后由MonsantD和HP公司的改进LED使黄、绿加人到红色LED行列中，这都是在1970年之时。自从GMLED开始，LED性能改进速度大约是每十年提高十倍，导致今天某些LED比之通用光源白炽灯或卤素灯具有更高的效率，性能进展情况示于图1

    在1985年之前JJZD性能通常在小于2lrn／w，LED大多限于指示灯应用范围。这种应用仅要求LED来决定亮或不亮。1985年以及较高性能的红色AlGAInPLED性能增加到50lin／w，再是发展了InGaN器件，颜色的范围扩展到从紫色到蓝色的整个可见光谱范围，都有了烛光级LED器件。这种从指示灯水平到超过通用光源的技术革命导致各种新的应用，诸如汽车灯，交通信号灯，道路信息显示屏和大面积的显示屏，现在已可建造1000平方大的室外全彩显示屏，如美国时代广场上的纳斯达克显示屏。

    AIGaAs材料相对讲是较老的材料，先用LPE，后来也用MOCVD生产。早在1980年首先由日本仙台大学的西泽润一教授研制成的，后来在Stsnlcy公司进行生产并发展，发光效率接近10％。在90年代初已大量应用，但由于退化问题较为突出，在室外显示大屏幕和汽车信号灯的应用上受阻，发展新材料成为当时的迫切任务。

    用以制造高性能LED的材料、器件和相应技术示于表1。

表1    超高亮度LED商品技术

    AIGalnPLED是1991年由美国 HP公司和日本东芝公司研制成功，并于 1994年改进成功，采用 LP－MOCVD技术，其后HP又开发了透明衬底技术大大提高了发光效率，使红色和黄色双异质结材料的201m/w，到401m/w，乃至501m/w。最近再加上多量子井结构，红光达到73。71m/w 而在近两年来采用截头锥体倒装技术，红、黄光 LED可分别达到 1021m/w（100mA）和 681m/w（100InA），外量子效率提高 5—7倍。用此材料制成的绿光LED也已达到181m/w。

    高性能的InGaNLED在1993年由日本NIChinaChemical公司的Nakamura博士研制成功。他因此获得了1996年国际信息显示学会的大奖。他和他的课题组的成功也得益于坚持进行此开拓性课题研究的名古屋早稻田大学赤崎勇教授，是他发展了用缓冲层生长优质晶体的方法，还发展了 P型薄膜，致使 P／N结能够生长。他的工作曾得到丰田合成的大力资助。所以目前Toyodauosei公司也已成为国际上生产这类器件的大公司之一。他们都以蓝宝石作衬底。

    Nichia公司目前正以每年提高光效10－20％的速率开发LED。

    美国的Cree公司原先用SIC 制成蓝光器件，但效率不高，此后采用SIC衬底生长和InGaN获得成功，制成的蓝色和绿色发光器件性能不断提高，由于采用倒晶结构以金属高频或回流热熔焊接，散热能力会比蓝宝石衬底芯片银胶烧结高数十倍。此外在晶格匹配和抗静电方面也有优势，他们正继续努力改进，不断提高发光效率，最近取得了较大进展。但仍未达到蓝宝石衬底InGaN的水平。但在紫外光405nmLED方面，他们取得了突破，外量子效率已达 28％。不同LED的性能与波长的关系如图2。

可以看出，AIGalnP较高性能在红、湖泊色区。在绿色区很快下降，绿色的AIGalnP能达到类似波GaP：N亮度的4倍，但波长较长，＞565urn，对于全色显示屏来说并不合适，其效率下降的根本原因是在这波长区域内InGaN的半导体能带结构从直接跃迁型变为间接跃迁型。直接跃迁型向间接跃迁型的变化也发生在AIGaAsLED，从红外到红色而不在绿色区,GAP：N，GAP和 GaAsPLWD也可由间接跃迁型来解释他们的效率较低的原因。   

InGaN材料在整个红到紫外整个光谱范围都是直接跃迁型材料，但最好的器件还是在紫外，蓝、绿光区，而在黄色区就明显下降，其原因主要在于器件结构不同层之间，晶格失配的事实造成。

目前超高亮发光M极管的性能水平如表2.

除照明光源这一最高也是最广泛的应用外，其他应用均已形成或正在形成产业，所以在下面讨论展望时主要围绕照明光源来展开。

    随着发光二极管多色化和高亮度化的进展，应用领域也不断扩展，从图3可以看出，从左边较低光通量的指示灯，到中等光通量功率信号灯和特殊照明的白光光源，再发展到右边最高的高光通量，通用照明光源。

    2000年是个时间的分界线。在 2000年已解决所有颜色的信号显示问题和灯饰问题，并已开始低、中光通量的特殊照明应用，而作为通用照明的高光通量白光照明应用，似乎还有待时日，需将光通量进一步大幅度提高方能实现.

    首先从现有芯片技术看，图4给出了通用的超高亮度，LED性能与其他类型照明光源性能的理论限制。0．3 X CIE是粗略估计的实际限制，这是基于对大多数目前的 LED芯片结构讲，由于光吸收，只有30％内部的光可以取出来，也就是取出效率30%，InGaN或许可以高一点，超过50%。AlGalnPLED性能已超过通用的白炽灯光源在红到琥珀色区，且假如需要滤色的话进一步超过白光光源，最好的绿光InGaN也已超过白炽灯。混合红、绿、蓝三种颜色的LED成为白色的效率也可超过白炽灯。AIGInP估计还可提高2倍，而InGaN可提高五倍左右。近几年来的进展是明显的，如 InGaN白色器件已达到 25lm/w如图 5。因此 LED白色光源可以是白炽灯光源效率的几倍。但是LED是传统的低功率器件，在最近的将来，直接用以代替许多常用的高功率白炽灯还较难，因此在今后除继续提高器件效率外，研制高功率LED是一个关键课题，据报导Agilient生产的HolyGiaol新型白色LED其发光效率已达到40到50lm/w。

    下述材料和技术应予重视：

    1、InGaN、AllnGaN材料：缺陷减少和效率提高，相关荧光粉的效率提高。

    2、AIGalnP材料：已采用布喇格反射和透明衬底技术，外量子效率还可提高到40－60％。

    3、紫外LED和荧光粉：美国Cr既公司已开发出405一波长和395nm波长的LED，荧光粉和抗紫外线退化的封装材料应予研究。

    4、截头锥体倒装结构（TIP）。红、黄、蓝色LED都有产品，还需完善和推广。

    5、光子再循环半导体器件（PR SD）：这一技术在半导体激光中已得到应用。效率非常高，从理论上讲，白光可达到300lm/w、，美国波士顿大学目前达到10lm/w。

    6、垂直腔表面发射激光器（VCSEL）：在激光器中已得到应用，1997年美国圣地亚国家实验室达到转换效率50％，波长范围是850—980nrn，而1999年美国Agilient技术证明红光LED外量子效率可达45％，理论上可达320lm/w。
    7、功率型LED技术，Lumileds公司已做出了一些产品，还待进一步改进和开发。

    对未来发展的预计可分二种,即一般估计和乐观估计。据一般估计，目前效率已达20lm/w，预计到2002年达30lm/w。但如果按以往每10年提高10倍，从1970年到2000年增加1000倍,到 2010年可以达到100lm/w，到2025年达到200lm/w，这就是乐观的估计．其效率超过目前所有的电光源。最近Lumileds报道在610nm达到100 lm/w效率，绿色、蓝色LED达到了50 lm/w，进展之快，令人振奋。有人预测到2025：年将有25－30％的白炽灯和荧光灯被LED照明光源所取代。