马若飞
消声室制作
摘㊀要：本文介绍了ＧａＮ基材料和ＬＥＤ的基本特性ꎬ从其发展进程中不难看出对ＧａＮ基ＬＥＤ的发展前景十分广阔ꎮＧａＮ基ＬＥＤ是第三代半导体材料ꎬ正是现在全球各国研究者感兴趣的方向之一ꎬ而且其优点也非常明显ꎬ节能性好㊁发光率高㊁体积小等特点让它一出世就受到了大家的热捧ꎮ相信在各国研究者的不断研发下ꎬＬＥＤ的发展会越来越好ꎮ关键词:ＧａＮ基ＬＥＤꎻ蓝光ＬＥＤꎻ硅衬底ꎻ发展历程ꎻ未来展望
一㊁引言
ＧａＮ基材料ＬＥＤ:ＬＥＤ一般指发光二极管ꎬ从２０世纪
２０㊁３０年代取得第一个专利ꎬ而直到１９６２年第一个红光的
机器人吸盘ＬＥＤ才问世ꎬ１９６８年第一个用来商业用途的ＬＥＤ只能发出
微弱的红光ꎬ而现在的商用高亮度的白光ＬＥＤ灯已经非常普
遍ꎬ在已经过去的三四十年里ꎬ一个ＬＥＤ的光通量一直在增
大ꎬ与此同时它的价格正在不断下降ꎮ
二㊁ＧａＮ基ＬＥＤ的发展历程
ＬＥＤ的发光原理至关重要的部分是ＰＮ结ꎮ由二者之间
高建钢的电子和空穴发生复合产生光子ꎬ就可以实现电能到光能的
转化ꎮ像ＧａＮ(氮化镓)这种直接带隙半导体ꎬ它内部的电子
和空穴的晶格动量基本上相等ꎬ就能够使注入的很多部分的
载流子在带间复合的帮助下而消除ꎬ复合过程可以将发出的
能量转变为光能ꎬ使ＬＥＤ可以发光ꎮ
自从进入２０世纪９０年代之后ꎬ当各种条件发展越来越
完善ꎬ工艺水平不断提升ꎬＧａＮ(氮化镓)基的器件发展的速
度十分之快ꎬ目前在宽带隙半导体材料中占有很成熟的地
位ꎮ表１是世界主要ＬＥＤ厂商的公司名称和他们的主要产 品ꎬ可以看到ꎬＧａＮ(氮化镓)基ＬＥＤ已经成为各个厂商争着
研究和生产的主流产品ꎮ
表１㊀世界主要ＬＥＤ厂商
序号公司名称主要内容
１日本Ｎｉｃｈｉａ日亚公司ＧａＮ基高端蓝㊁绿㊁紫及紫外ＬＥＤ
外延芯片及白光技术ꎬ产量大
２美国Ｃｒｅｅ公司ＳｉＣ衬底的ＧａＮ基外延ꎬ高端蓝㊁绿ＬＥＤ芯片及白光功率ＬＥＤꎬ产量大
３美国ＬｕｍｉＬＥＤｓ公司ＧａＮ基高端蓝㊁绿ＬＥＤ外延芯片ꎬ白光封装技术ꎬＩｎＧａＡＬＰ功率ＬＥＤ
４德国Ｏｓｒａｍ光电公司欧洲最大的ＧａＮ基蓝㊁绿ＬＥＤ外
炭材料工程技术延芯片ꎬ白光ＬＥＤ及
ＩｎＧａＡｌＰＬＥＤ
５日本ＴｏｙｏｄａＣｏｓｅ丰田合成公司ＧａＮ基蓝㊁绿ＬＥＤ及白
光ＬＥＤꎬ
产量大
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６美国Ｇｅｌｅｏｒｅ公司ＧＥ公司的下属公司ꎬ主要是ＧａＮ
基蓝㊁绿ＬＥＤ及白光ＬＥＤ
７韩国首尔半导体ＳｅｏｕｌＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＧａＮ基蓝㊁绿ＬＥＤꎬ
发展较快㊀㊀(一)ＧａＮ基蓝光ＬＥＤ发展历程
其实在１９７１年第一个ＧａＮ(氮化镓)基ＬＥＤ就已经被制造出来ꎬ因为当时不能用ｐ型掺杂结构ꎬ所以只好采取ＭＩＳ结构(金属 绝缘体 半导体结构)ꎬ虽然这种结构的ＬＥＤ的使用寿命长ꎬ但是它的发光率很低ꎬ只有０.０３％~１％的发光率ꎬ故实用性不高ꎬ也就没能广泛制造和使用ꎮ
２.ｐ－ｎ结ＬＥＤ
１９８３年科学家创新了ＬＥＤ中的缓冲层ꎬ淀积了一层ＡＩＮ(氮化铝)的蓝宝石衬底上ꎬ有了很好的提高让ＧａＮ(氮化镓)的表面结构和晶体的质量ꎮ后来又有研究者得到了ｐ型掺杂的ＧａＮ(氮化镓)ꎬ用Ｍｇ(镁)掺杂并用低能电子束辐射的方法ꎮ有了以上两个重大突破ꎬ在２０世纪８０年代ꎬ科学家研制出了第一个ＧａＮｐ－ｎ结ＬＥＤꎮ这个结构的ＬＥＤ的发光效率和其他各种特性都要比上一个ＭＩＳ结构的ＬＥＤ要好ꎮ
图１㊀ｐ－ｎ结结构
３.同质结ＬＥＤ
在ｐ－ｎ结ＬＥＤ研制出来之后ꎬ不久同质结蓝光ＬＥＤ就被科学家研制出来ꎮ这个结构的ＬＥＤ用双流的ＭＯＣＶＤ实现了在ＧａＮ缓冲层上生长ＧａＮ薄膜ꎮ提高了霍尔迁移率和薄膜的质量ꎮ光谱质量较好ꎬ只有一个峰值ꎮ
图２㊀同质结ＧａＮ蓝光ＬＥＤ结构
４.双异质结ＬＥＤ
为了让器材拥有更好的光和载流子约束ꎬ高亮度蓝光
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