白光LED是如何逐步市場細(xì)化的？應(yīng)用前景如何？

調(diào)查表明2016年LEDs在全球普通照明市場的份額將達(dá)到 45%，2020年將接近70%。到2020年，該領(lǐng)域的市場容量預(yù)計(jì)將從目前的約260億美元提高到720億美元。LED裝置是一個(gè)復(fù)雜的多組分系統(tǒng)，可根據(jù)特定需求調(diào)整性能特征。以下章節(jié)將討論白光LED及其他應(yīng)用。

 

發(fā)光二極管（LEDs）的最新進(jìn)展使得照明行業(yè)快速增長。目前，固態(tài)照明技術(shù)逐步滲透到不同細(xì)分市場，如汽車照明、室內(nèi)及室外照明、醫(yī)療應(yīng)用、以及生活用品。

美國能源部最新報(bào)告指出，至2020年，該技術(shù)有望減少照明行業(yè)15%的能源消耗，2030年節(jié)約30%——即光2030年就能節(jié)約261 TWh（太瓦時(shí)）的能量，以當(dāng)前的價(jià)格計(jì)算其價(jià)值超過260億美元，相當(dāng)于美國兩千四百萬家庭目前的能源消費(fèi)總和。此外，這些節(jié)約的能量用于混合發(fā)電廠將減少大概一千八百萬噸CO2溫室氣體的排放。

雖然在很多情況下，這些設(shè)備的初始成本仍然高于現(xiàn)有的光源設(shè)備，但是LEDs 更高的效率以及更長的壽命使其具有很強(qiáng)的競爭力。Strategies Unlimited估計(jì)2013年全球銷售出4億只LED燈，McKinsey調(diào)查表明2016年LEDs在全球普通照明市場的份額將達(dá)到 45%，2020年將接近70%。到2020年，該領(lǐng)域的市場容量預(yù)計(jì)將從目前的約260億美元提高到720億美元。

LED裝置是一個(gè)復(fù)雜的多組分系統(tǒng)，可根據(jù)特定需求調(diào)整性能特征。以下章節(jié)將討論白光LED及其他應(yīng)用。

LED的發(fā)展之路

無機(jī)材料中電致發(fā)光現(xiàn)象是LED發(fā)光的基礎(chǔ)，HenryRound和Oleg Vladimirovich Losev于1907年和1927年分別報(bào)道LED發(fā)光現(xiàn)象——電流通過使得碳化硅（SiC）晶體發(fā)光。這些結(jié)果引發(fā)了半導(dǎo)體及p-n結(jié)光電過程的進(jìn)一步理論研究。

20世紀(jì)50、60年代，科學(xué)家開始研究Ge、Si以及一系列III-V族半導(dǎo)體（如InGaP、GaAlAs）的電致發(fā)光性能。Richard Haynes和William Shockley證明了p-n結(jié)中電子和空穴復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光。隨后，一系列半導(dǎo)體被研究，最終于1962年由Nick Holonyak開發(fā)出了第一個(gè)紅光LED。受其影響，1971年George Craford發(fā)明了橙光LEDs，1972年又相繼發(fā)明了黃光和綠光LEDs（均由GaAsP組成）。

強(qiáng)烈的研究迅速使得在寬光譜范圍內(nèi)（從紅外到黃色）發(fā)光的LEDs實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，主要用于電話或控制面板的指示燈。實(shí)際上，這些LEDs的效率很低，電流密度有限，使得亮度很低，并不適于普通照明。

藍(lán)光LEDs

高效的藍(lán)光LEDs的研發(fā)花費(fèi)了30年的時(shí)間，因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒有可應(yīng)用的足夠質(zhì)量的寬帶隙半導(dǎo)體。1989年，第一個(gè)基于SiC材料體系的藍(lán)光LEDs商品化，但由于SiC是間接帶隙半導(dǎo)體，使得其效率很低。20世紀(jì)50年代末就已經(jīng)考慮使用直接帶隙半導(dǎo)體GaN，1971年JacquesPankove展示了第一款發(fā)射綠光的GaN基LED。然而，制備高質(zhì)量GaN單晶以及在這些材料中引入n-型和p-型摻雜的技術(shù)仍然有待開發(fā)。

20世紀(jì)70年代發(fā)展的金屬-有機(jī)物氣相外延（MOVPE）等技術(shù)對于高效藍(lán)光LEDs的發(fā)展具有里程碑意義。1974年，日本科學(xué)家Isamu Akasaki開始采用這種方法生長GaN晶體，并與Hiroshi Aman合作于1986年通過MOVPE方法首次合成了高質(zhì)量的器件級GaN。

另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是p-型摻雜GaN的可控合成。實(shí)際上，MOVPE過程中，Mg和Zn原子可進(jìn)入這種材料的晶體結(jié)構(gòu)中，但往往與氫結(jié)合，從而形成無效的p-型摻雜。Amano、Akasaki及其合作者觀察到Zn摻雜的GaN在掃描電子顯微鏡觀察過后會(huì)發(fā)射更多的光。

同樣的方式，他們證明了電子束輻射對Mg原子的摻雜性能起到有益的作用。隨后，Shuji Nakamura提出在熱退火之后增加一個(gè)簡單的后沉積步驟，分解Mg和Zn的復(fù)雜體，該方法可輕易實(shí)現(xiàn)GaN及其三元合金（InGaN、AlGaN）的p-型摻雜。

應(yīng)該指出的是，這些三元體系的能帶可通過Al和In的成分進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得藍(lán)光LEDs的設(shè)計(jì)增加了一個(gè)自由度，對于提高其效率具有重要的意義。事實(shí)上，目前這些器件的活性層通常由一系列交替的窄帶隙InGaN和GaN層以及寬帶系的p-型摻雜AlGaN薄膜（作為載流子的p-端約束）組成。

1994年，Nakamura及其合作者基于n-型和p-型摻雜AlGaN之間Zn摻雜InGaN活性層的對稱雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首次展示了具有2.7%外量子效率（EQE）的InGaN藍(lán)光LED（框1列舉出了LEDs主要的性能指標(biāo)定義）。

該LED結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1a。這些結(jié)果對于如今應(yīng)用的LED基照明技術(shù)而言是很關(guān)鍵的，也因此引發(fā)了照明行業(yè)的革命。2014年底，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予Akasaki、Amano和Nakamura，表彰他們“發(fā)明用于照明以及白光源節(jié)能的高效藍(lán)光LED”。

LED性能指標(biāo)

量子效率Quantum efficiency：材料內(nèi)量子效率（IQE）為輻射的電子-空穴復(fù)合（即產(chǎn)生光子）數(shù)量與復(fù)合總量（輻射與非輻射）的比值。