LED工作原理详解
LED工作原理详解
1.LED照明的发展历程
随着科学技术的突飞猛进，各种人造电光源技术得到了迅速的发展，电光源技术经历了第一代以白炽灯为代表的热辐射电光源、第二代以荧光灯为代表低压气体放电电光源、第三代以高压钠灯为代表的高压气体放电电光源和第四代以LED灯为代表的固体电光源的变迁。LED照明具有节能、环保、安全、体积小、长寿命等优点，在政府政策的扶持和技术取得重大突破的情况下，LED 照明呈现出主导未来照明的不可逆势态。
1907 年，Round[1]年报道在SiC上发现了LED。而后，经过不懈的研究和探索，在1962年Nick Holonyak, Jr.做出了世界上第一只LED,1965年采用砷化镓磷化物生产出了第一个商用红光LED，LED开始商业化初始发展。M. George Craford 在 1972 年做出了第一只黄光LED。在七十年代中期采用磷化镓生产出了第一只绿光LED。【2】
1993中村修二在日本日亚化学工开发出了基于 GaN 高亮度蓝光LED【2】。中村修二创新使得LED生产商能够生产三原色（红、绿和蓝）LED 成为可能。1996年，LED行业利用这种新技术来开始白光LED的商业化生产。融合红绿蓝LED 或涂有荧光粉的蓝光 LED，制造出白光 LED是一项充满希望的高效常规照明技术。
1999年，安捷伦的前任技术科学家罗兰·海兹（Roland Haitz ）从 1965年 LED 商业化至1999年的30年发展历程观察得出：LED 的价格每 10 年将降为原来的 1/10，性能则提高 20 倍。提出了关于 LED 发展的海兹定律【3】，给 LED 的发展留出很大的想象空间。实际工作中得出的结论与预测如图 1 所示【2】，能很好的和海兹定律吻合。
图1.罗兰·海兹定律预测与实际结论
LED的产业链划分为以下环节：衬底、外延、芯片、封装、 LED驱动及灯具。
2.LED 工作原理
发光二极管其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。如图2所示，假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光，光子能量大小决定了光波波长，该过程称之为辐射符合。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光，而是形成热，该过程称之为非辐射复合。
图2.电子与空穴复合过程
2.1衬底材料
衬底材料是为了降低在其上生长的LED薄膜器件的晶体缺陷密度的一个载体，其选择最主要考虑因素是其晶格常数与LED器件所用材料的匹配性，包括晶格常数和热膨胀系数，两者越接近就越有可能生长出好的 LED 器件，反之，其内生缺陷密度就不能降低。如果晶格不匹配，会影响芯片的透光性和散热性
能。目前用的衬底材料有：蓝宝石、SiC、Si衬底、GaN衬底和其他衬底材料。
2.1.1蓝宝石
蓝宝石价格适中，并且透光性能良好，但是由于其晶格常数和 GaN的晶格常数不匹配，如果直接在其上生长 GaN薄膜，就会导致晶体缺陷密度高，严重影响产品的质量性能。后来，中村修二通过改进外延设备，在生长活性外延层前，先生长 AlN 外延作为缓冲层，同时解决 P型掺杂问题后，才使得基于蓝宝石衬底生产蓝光 LED的技术得到质的飞跃。现在，蓝宝石成为被最广泛采用的 LED衬底材料。目前，蓝宝石衬底需要做的是：扩大蓝宝石衬底可生产尺寸，提高基于蓝宝石衬底材料 LED的发光效率。研究工作重点集中在改变蓝宝石衬底的表面形状，从而提高出光率。
2.1.2 SiC
SiC与GaN 基材料晶格系数失配小，导热性能好，所以用SiC生产的LED 器件技术简单，并且导热性能和透光性能较好。但是SiC 晶体成本高，并且专利技术被美国的Creel垄断，所以进入这个领域的门槛极高。
2.1.3 GaN 衬底
对于GaN基LED而言，最好选择采用GaN晶体作为其同质衬底材料，这样可以避免异质结外延所带来的晶格缺陷，从而提高LED器件的可靠性与发光效
率、和散热性能。但是现在生产GaN单晶材料的生长极为困难，所以目前研究GaN晶体生长的工作比较多。
2.2 外延
外延是 LED器件核心，增加 LED发光所需要的 PN活性层多重量子阱结构，消除外延材料和衬底材料间晶格失配所带来的应力，以及为提高出光效率所做出的主要努力都集中在这一环节。
研究外延层主要还是为了提高出光效率。目前主要有以下两种方法。一是生长非极化面外延材料，可以避免材料内在极化电场存在时引入晶格缺陷及其带来的缺陷复合，从而可以增大有效光复合几率，提高LED 器件内量子效率。二是通过控制生长过程缺陷、晶体取向等控制，降低外延层缺陷，从而提高 LED 输出功率。
2.3 LED芯片
芯片是 LED 的核心，它的内部量子效率的高低直接影响到 LED 的发光效能，非辐射复合率则决定着芯片产热的大小。可以说只有制造出具有良好质量的 LED 芯片，才可能有性能优越的 LED光源。对于LED 而言，外延片与衬底的晶格常数以及热涨系数是否匹配、外延片制备工艺等都会直接影响晶格的缺陷密度。这些缺陷的存在，会缩短芯片的连续工作寿命，减少载流子密度进而降低发光输出，以及可能成为无辐射复合中心。因此如何选择合理的芯片结构，
了解晶格缺陷对LED 芯片发光的影响机理从而更好地控制不利缺陷的产生，是LED芯片生产的重要课题。
[1] ROUND H J. A note on carborundum[J]. Electrical World, 1907, 49:309.
[2]路秋生. SSL 照明技术与进展. 电源学报，2011.（1）:99-106
[3] R. Haitz, F. Kish, J. Tsao, and J. Nelson, The Case for aNational Research Program on Semiconductor Lighting,presented at the Annual Forum of the Optoelectronics Indus-try Development Association, Washington DC (1999).