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逐步渗透到各细分市场 白光LED及其他应用详解

导读: 发光二极管(LEDs)的最新进展使得照明行业快速增长。目前,固态照明技术逐步渗透到不同细分市场,如汽车照明、室内及室外照明、医疗应用、以及生活用品。

  发光二极管(LEDs)的最新进展使得照明行业快速增长。目前,固态照明技术逐步渗透到不同细分市场,如汽车照明、室内及室外照明、医疗应用、以及生活用品。

  美国能源部最新报告指出,至2020年,该技术有望减少照明行业15%的能源消耗,2030年节约30%——即光2030年就能节约261 TWh(太瓦时)的能量,以当前的价格计算其价值超过260亿美元,相当于美国两千四百万家庭目前的能源消费总和。此外,这些节约的能量用于混合发电厂将减少大概一千八百万吨CO2温室气体的排放。

  虽然在很多情况下,这些设备的初始成本仍然高于现有的光源设备,但是LEDs更高的效率以及更长的寿命使其具有很强的竞争力。Strategies Unlimited估计2013年全球销售出4亿只LED灯,McKinsey调查表明2016年LEDs在全球普通照明市场的份额将达到45%,2020年将接近70%。到2020年,该领域的市场容量预计将从目前的约260亿美元提高到720亿美元。

  LED装置是一个复杂的多组分系统,可根据特定需求调整性能特征。以下章节将讨论白光LED及其他应用。

  LED的发展之路

  无机材料中电致发光现象是LED发光的基础,HenryRound和Oleg Vladimirovich Losev于1907年和1927年分别报道LED发光现象——电流通过使得碳化硅(SiC)晶体发光。这些结果引发了半导体及p-n结光电过程的进一步理论研究。

  20世纪50、60年代,科学家开始研究Ge、Si以及一系列III-V族半导体(如InGaP、GaAlAs)的电致发光性能。Richard Haynes和William Shockley证明了p-n结中电子和空穴复合导致发光。随后,一系列半导体被研究,最终于1962年由Nick Holonyak开发出了第一个红光LED。受其影响,1971年George Craford发明了橙光LEDs,1972年又相继发明了黄光和绿光LEDs(均由GaAsP组成)。

  强烈的研究迅速使得在宽光谱范围内(从红外到黄色)发光的LEDs实现商业化,主要用于电话或控制面板的指示灯。实际上,这些LEDs的效率很低,电流密度有限,使得亮度很低,并不适于普通照明。

  蓝光LEDs

  高效的蓝光LEDs的研发花费了30年的时间,因为当时没有可应用的足够质量的宽带隙半导体。1989年,第一个基于SiC材料体系的蓝光LEDs商品化,但由于SiC是间接带隙半导体,使得其效率很低。20世纪50年代末就已经考虑使用直接带隙半导体GaN,1971年JacquesPankove展示了第一款发射绿光的GaN基LED。然而,制备高质量GaN单晶以及在这些材料中引入n-型和p-型掺杂的技术仍然有待开发。

  20世纪70年代发展的金属-有机物气相外延(MOVPE)等技术对于高效蓝光LEDs的发展具有里程碑意义。1974年,日本科学家Isamu Akasaki开始采用这种方法生长GaN晶体,并与Hiroshi Aman合作于1986年通过MOVPE方法首次合成了高质量的器件级GaN。

  另一个主要挑战是p-型掺杂GaN的可控合成。实际上,MOVPE过程中,Mg和Zn原子可进入这种材料的晶体结构中,但往往与氢结合,从而形成无效的p-型掺杂。Amano、Akasaki及其合作者观察到Zn掺杂的GaN在扫描电子显微镜观察过后会发射更多的光。

  同样的方式,他们证明了电子束辐射对Mg原子的掺杂性能起到有益的作用。随后,Shuji Nakamura提出在热退火之后增加一个简单的后沉积步骤,分解Mg和Zn的复杂体,该方法可轻易实现GaN及其三元合金(InGaN、AlGaN)的p-型掺杂。

  应该指出的是,这些三元体系的能带可通过Al和In的成分进行调节,使得蓝光LEDs的设计增加了一个自由度,对于提高其效率具有重要的意义。事实上,目前这些器件的活性层通常由一系列交替的窄带隙InGaN和GaN层以及宽带系的p-型掺杂AlGaN薄膜(作为载流子的p-端约束)组成。

  1994年,Nakamura及其合作者基于n-型和p-型掺杂AlGaN之间Zn掺杂InGaN活性层的对称双异质结构设计,首次展示了具有2.7%外量子效率(EQE)的InGaN蓝光LED(框1列举出了LEDs主要的性能指标定义)。

  该LED结构示意图示于图1a。这些结果对于如今应用的LED基照明技术而言是很关键的,也因此引发了照明行业的革命。2014年底,诺贝尔物理学奖授予Akasaki、Amano和Nakamura,表彰他们“发明用于照明以及白光源节能的高效蓝光LED”。

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