选题意义
早在1907年，Henry Joseph Round就发现了电致发光效应。然而，直到1962年才研究出第一支GaAsP红光LED，1971年，出现了绿光，橙光和黄光LED，1989年，Ammano 和 Akasaki研制出GaN p-n结LED，1993年，日本日亚化工公司宣布InGaN蓝光和绿光LED问世，1995年，白光LED诞生。近半个多世纪以来，半导体材料和技术发展迅速，尤其在集成电路，微电子器件和光电子器件等方面发展飞速。以发光二极管（LED）和太阳能电池为代表的光电子器件在近二十年中取得了突破性发展，寿命长、功耗低的新型LED已趋于成熟，并迅速市场化，掀起一场照明灯的变革。由于传统的白炽灯灯光具有颜偏黄、发热量大、功耗低、发光效率低、彩单一，使用寿命短等缺点，随之而掀起利用日光灯照明的新型技术，日光灯相对白炽灯而言，光颜趋于自然光，效率也较高，但日光灯光线不够柔和，而且频繁闪烁使得照明舒适度不高，另外由于其结构等原因导致使用寿命短使得人类对照明有更高的期望和要求。相对于传统的照明灯，增高瘦身鞋
LED利用半导体载流子辐射复合发出光子的特性，从根本上解决了传统照明所面临的寿命短，能耗高，发热多等技术难题。LED照明技术 作为当今最尖端、最前沿、最具有科技含量的照明技术，在不久的将来，必将淘汰传统的照明技术。据调查显示电子感应垃圾桶[1]，截止2008年，国内从事LED显示应用产品的生产企业超过1000家，从事LED显示应用产品包括销售、生产、配套服务等企业估计不少于3000家，2008年年产值逾100亿元，其中超过半数的厂家集中在华东和华南地区。预计到2010年，国内LED年产值有望逾1000亿元。在北京2008年“绿奥运、科技奥运、人文奥运”的带动下，LED照明作为高科技照明技术的代表，遇到前所未有的发展机遇。随着蓝光和绿光GaN基LED的研制成功，通过三基的组合，可显示各种彩图案，LED的应用正在由照明、单显示向彩装饰、彩显示屏等多方向发展。目前国内先进水平的显示屏与国际品牌水平的质量已相近，国内主流产品的大部分技术指标与国际品牌产品已接近。但是显示屏刷新频率、亮度均匀性、彩的还原性、安全要求、产品质量认证，尤其是产品的工艺技术与国际品牌产品还有一定的差距。由于目前利用的能源绝大部分还是不可再生的，能源供给紧张已成为影响我国经济发展的障碍。据国家电力监管委员会统计，2009年1~10月份，我国社会用电量为29775.04亿千瓦时, 据此估算，2009年全年社会用电总量约为3.6万亿千瓦时。据国家发改委统计，我国约有12%的电能消耗在照明上，即照明消耗电能4320亿千瓦时。使用LED照明技术在同等亮度的情况下至少节省50%的电能，也就是2160亿千瓦时。
三峡水电站2008年发电量808.12亿千瓦时，预计2009年发电量900亿千瓦时。这就相当于节省了大约2.4个三峡电站供给的电量。按照目前国内平均电价以每度电0.5元计算，相当于节省1080亿元。同时，这些电能的节省对环境的保护有这重大的意义。以目前我国火力发电效率大约为50%计算，相当于至少节省0.532亿吨标准煤，少排放1.56亿吨二氧化碳。从而在很大程度上减少了温室效应。根据中国政府最近作出的节能减排承诺，到2020年，单位GDP二氧化碳排放量下降至2005年的40%到45%。这在一定程度上给节能环保产业带来机遇的同时也带来了压力。虽然LED市场前景广阔，然而由于LED照明技术起步晚，制造工艺复杂，目前仍有不少问题没有得到很好的解决，如亮度还不够高，散热性能还不够良好，成本较高等。这些技术性的难题，随着科技的进步，将会逐一得到解决。有资料显示，在未来五年内，LED将会以更高的亮度，大众化的价格和高可靠性的崭新面貌出现。
国内外研究进展
国内研究进展
南昌大学是研究硅衬底GaN基蓝光和绿光LED的先驱，其依托教育部发光材料与器件工程研究中心，对硅衬底GaN基LED进行了从材料生长，到器件的研制和封装等全过程的研究。 2004年，莫春兰等人[2]在硅衬底上利用富镓GaN高温缓冲层制的性能良好薄膜材料。2005年，他们[3]引入低温AlN缓冲层和富镓GaN高温缓冲层，从而缓解了GaN和硅衬底晶格大量失配的问题，并研制出光输出功率为18mcd到30mcd的LED。江风益等人[4]利用LP-MOCVD制的在正向电流20mA，工作电压为3.8V时，光输出功率大于0.5mW。2006年，熊传兵等人[5]利用ICP技术刻蚀缓冲层后制的垂直结构的LED，其性能较横向结构的LED有所提高。2007年，乐淑萍等人[6]研究了静电对LED老化的影响，结果表明，在1000V电压内静电对老化性能几乎无影响。2008年，邱冲等人[7]利用PECVD技术在垂直结构硅衬底GaN基蓝光LED上生长SiNx钝化膜，从而在一定程度上提高了器件的稳定性。同年，张萍等人[8]研究了刻蚀深度对Si衬底GaN基LED的影响，结果表明，刻蚀深度为0.8μm时，器件衰老更慢，正向电压更低，抗静电性能随衰老时间更稳定。
国内其他研究机构对GaN基LED也开展了广泛的研究。早在1997年，北京大学张国义等人[9]利用LPCVD制的发射谱半峰宽约50nm的GaN p-n结蓝光LED。2002年，台湾工业技术研究所光电系统实验室Shyi-Ming Pan[10]等人利用透明NiOx和ITO做p-GaN欧姆接触层，所研制的蓝光LED波长集中在470μm，在加3.4V的正向电压，20mA的正向电流时，最大
光输出功率达6.6mW。2003年，台湾国立成功大学K.S.Ramaiah等人[11]对InGaN/GaN多量子阱的性能特性进行了较全面的研究。同年，成功大学L.-W. Ji 等人[12] 对InGaN/GaN 多量子点LED进行了研究。同年，国立台北科技大学光电工程学系Lung-Chien Chen等人[13]利用光增强湿法刻蚀（PEC）处理n-GaN表面，结果表明，在500h光照下，LED的光功率衰退不超过0.3%。同年，台湾工业技术研究院Ru-Chin Tu等人[14]在n-GaN层底下插入SiNx中间层能降低由于缺陷而产生的漏电流，同时也能是光的提取效率得到提高。2004年，香港科技大学电机电子工程系Z.H. Feng等人[15]对蓝宝石上生长GaN基蓝光LED做了深入的研究。2005年，台湾国立中兴大学R.H.Horng等人[16]利用聚苯乙烯小球作为刻蚀模板，以ITO层作为窗口层，得到GaN基LED器件的输出功率为8.5mW。2006年，北京科技大学张剑铭等人[17]通过倒装等技术制的LED在正向电压为3.3V，正向电流为350mA时，光输出功率为144.68mW，并且可靠性也较高。同年，香港科技大学电机电子工程系Baoshun Zhang等人[18]利用图案化生长技术，中间插入高温AlN和SiNx层，在硅衬底外延生长GaN薄膜达到2μm无裂纹，所制的的蓝光LED在驱动电流为20mA时，光输出功率为0.7mW。同年，北京工业大学牛南辉等人[19]研究CP2Mg流量对InGaN/GaN多量子阱的p-GaN盖层的影响，结果表明，CP2Mg流量过低时，盖层空穴浓度低，材料的电学性不好，
而当CP2Mg流量过高时，会产生大量缺陷，使晶体质量降低，电学性能变差。同年，华南师范大学光电材料与技术研究所郑品棋等人[20]设计了高折射率圆台结构的电极耦合层来减少光在空气/耦合层界面上的全反射来提高GaN基蓝光LED的光提取效率。2007年，清华大学集成光电子学国家重点实验室张贤鹏等人[21]基于Cl2/Ar/BCl3气体的感应耦合等离子干法刻蚀，在表面刻出3μm直径，6μm周期的小孔后，研制的GaN基蓝光LED与表面平坦时相比，在注入电流为20mA时，正面出光增加38%，背面出光增加10.8%，同时前向电压降低了0.6V。同年，华南师范大学光电子材料与技术研究所李述体等人[22]在Al2O3衬底上生长GaN基蓝光LED外延片,在外延片厚度为2.5μm时，原子力显微镜测量其位错密度为8×107/cm2，材料质量较好。2008年，湖南大学刘一兵[23]分析了GaN基蓝光LED峰值波长不稳定的原因，认为是由多量子阱区内极化效应引起的量子限制斯塔克效应造成的，并提出可通过采用四元系结构，优化外延生长条件和总应变量来稳定峰值波长。2009年，厦门大学陈焕庭等人[24]对GaN蓝光LED老化机理进行了深入的分析和研究，结果表明，负电容及电导特性可以作为分析LED老化特性的参考依据。
国外研究进展
2000年，韩国光州科技学院Hyunsoo Kim等人[25]研究了氧化Ni/Au p型接触对GaN/InGaN多量子阱性能的影响，在600℃纯O2氛围下退火五分钟，通过I-V测试表明，串联电阻降低了17.2%，并推断，其原因时形成了NiO层，而不是增强了p型层的活性。该学院Chul Huh等人[26,27]先后在1999年和2000年研究了用Pt薄膜做p型欧姆接触和硫处理样品之后对GaN/InGaN多量子阱光电性能的影响，结果表明，与没有经过硫处理和用Pt做p型欧姆接触的样品对比，处理后的样品和Pt做欧姆接触的样品在p型欧姆接触特性，外量子效率和光输出功率都有一定的提高。
2001年，德国马格德堡大学实验物理研究所A. Dadgar等人[28]在2英寸Si（111）面衬底上生长一层低温AlN:Si种子层，再生长两层低温AlN:Si夹层，从而释放由于晶格失配产生的应力，得到大约2.8μm无裂纹的材料。用该方法研制的LED，在驱动电流为20mA，电压2.5-2.8V时，输出功率为152μW。
2002年，日本国立高等工业科技学院Takeshi Yanagisawa 等人[29] 在低速脉冲条件下对GaN基蓝光LED的光衰特性进行了研究，结果表明，在低速脉冲条件下使用比在连续性使用条件下的寿命长2~4倍。同年，日本名古屋工业大学微结构器件研究中心Baijun Zhang等
人[30]以Si为衬底，AlN/AlGaN 作为缓冲层，生长多层AlN/GaN，并在两英寸晶片上获得没有裂纹的外延材料，用该材料研制的LED在驱动电流为20mA时，外加电压为3.7V和4.2V时，光输出功率分别为34.8μW和34.5μW苒苒草，电致发光的峰值波长为453 nm。同年，美国新墨西哥州森地亚国家实验室D. D. Koleske等人[31]在高温生长时通过降低NH3的流量来推迟由三维岛状生长向二维平面生长的过度，利用这个方法制的的GaN基LED在驱动电流为20mA时，光输出功率达1.3mW。
2003年，美国威科仪器公司L. Kadinski等人[32]对生长InGaN/GaN材料的MOCVD垂直旋转片状反应器进行了计算和分析。同年，美国加州大学T. Fujii等人[33]把GaN基LED表面粗造化后，光提取效率和输出功率均有一定的提高，在表面粗糙度达到最佳值时，光输出功率可增加2~3倍。同年，意大利帕多瓦大学G. Meneghesso等人[34] 对塑料封装InGaN/GaN 蓝光和白光LED的可靠性进行了研究，结果表明，大电流和高结温都是导致与这些发热部件直接接触的外延材料老化的原因，因为这样将导致一个不透明层在部件表面，并且这样也会导致接触电阻的增加和封装塑料的碳化。
2004年，美国通用电气全球研发中心X. A. Cao [35]等人分别在GaN衬底和蓝宝石衬底上外
延生长蓝光和近紫外LED，结果表明，在GaN衬底生长的LED的内量子效率比在蓝宝石是衬底生长的LED高出一倍，由于改善了散热和流分布，输出功率也有所提高。同年，日本名古屋工业大学纳米设备与系统研究中心T. Egawa 等人[36]在Si衬底上高温下生长AlN层和AlN-GaN多层的方法获得高质量的GaN基LED外延材料，制的的器件在电流为20mA时，工作电压低至3.8~4.1V，相对于蓝宝石衬底生长的外延材料而言，光输出功率也有提高。同年，韩国光州科技研究院材料科学与工程系June-O Song等人[37]用Ag-ITO作为p型欧姆接触的材料，这种材料对波长为460nm的光的透过性高达96%,这比传统的Au-Ni合金要高，结果表明，通过Ag-ITO电极制成的GaN基LED发光强度是Au-Ni电极的三倍。同年，新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院A. Uddin等人[38] 对GaN基蓝光LED的老化机理进行了研究，他们认为，大电流流经量子阱和发光区芯片温度的升高是导致有源区产生缺陷的原因，此缺陷能增加非辐射复合中心。
2005年，韩国忠北国立大学基础科学研究院物理系Yuanping Sun等人[39]生长出无裂纹的GaN/ InGaN多量子阱纳米棒阵列（NRAs），研究结果表明，载流子被束缚在量子阱内而不受阱外非辐射复合的影响，并推断，由于纳米棒内部非辐射复合中心的急剧减少等原因
导致内量子效率和光提取效率均有所提高。同年，德国奥托冯格里克马格德堡大学理学院实验物理研究所F. Schulze等人[40]在Si（001）衬底上，与衬底保持4o角利用MOCVD插入高温AlN种子层后，可得到平滑的，二维GaN单晶，为获得无裂纹材料，在缓冲层插入四个周期的AlN层，从而得到2.3μm无裂纹外延材料。同年，德国布伦瑞克技术大学应用物理研究所A.Hangleiter等人[41] 在蓝宝石（0001）面上长InGaN/GaN 的“V”型坑多量子阱结构，如下图，该结构能在斜向加大帶隙，从而减少载流子在缺陷和位错处的非辐射复合，从而提高LED的出光效率。
2006年，德国乌尔姆大学Thomas Wunderer等人[42]在GaN衬底(1-101)面外延生长InGaN/GaN多量子阱材料，在电流为110mA时，所研制的蓝光LED光输出功率达3mW。同年，韩国LG电子技术研究所材料设备实验室Hyun Kyong Cho等人[43]对面积为375×330m2的GaN p型接触层进行纳米图案刻蚀到140nm左右时，光输出功率较不进行纳米图案刻蚀时提高25%。同年，韩国明知大学材料科学与工程系Lianqiao Yang等人[44]对GaN基LED陶瓷封装的散热特性进行了研究。结果表明，与表面粗糙度相关的接触电阻对器件的热电阻有很大的影响。封装区合适的接触面积比能使降低结温。
2007年，美国电子计算机工程学院化合物半导体中心J. P. Liu等人[45]在GaN(11-21)面生长出无缺陷的蓝光LED材料，经过电致发光测试，峰值波长为450nm。同年，日本Kenji Iso等人[46]在无极化m面(1-100) GaN衬底长出势垒厚度为37.5nm，阱宽为8nm的GaN/InGaN多量子阱，所研制的蓝光LED经电致发光结果表明其峰值波长为468nm，在驱动电流为20mA时，光输出功率为蒸馏水发生器8.9mW，外量子效率为16.8%。同年，意大利帕多瓦大学信息工程系M. Meneghini等人[47]对高亮度InGaN/GaN多量子阱LED的光衰特性进行了研究。同年，美国佛罗里达大学L. stafford等人[48]利用TiB2和Ir做实心盘p型InGaN/GaN真空浇注多量子阱LED欧姆
接触，结果表明，相对于Ni/Au欧姆接触材料而言，具有更好的热稳定性。同年，韩国光州科技研究院材料科学与工程系Ga-Yong Ha等人[49]在KOH+NaOH与乙二醇溶液中湿法刻蚀p-GaN，研究表明，利用该方法研制的GaN基LED，相对不进行刻蚀的LED而言，表面缺陷有所减少，表面空穴浓度和表面粗糙度有所增加，因而光提取效率和输出功率均有所提高。同年，该系的Tae Sun Kim等人[49]通过在GaN基LED内部嵌入纳米图案来提高光的抽取效率，在驱动电流为20mA时，p-GaN刻有小孔和ITO接触层刻有小柱体的LED光输出功率分别提高21%和10%。同年，韩国三星电机研究中心和特洛伊理学院Min-Ho Kim 等人[51]对InGaN/GaN 多量子阱LED光衰原因进行了深入的研究，结果表明，是高注入条件和多量子阱外的复合导致光衰，而与结温和阱内复合无关。并认为，极化电场和电子阻挡层使得量子阱内的电子逃逸到阱外是光衰的物理起因， 通过适当调整AlGaInN的组分，可以降低极化电场，从而减少出光效率的衰退。
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