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LED灯点亮21世纪

科学出版社 2020-04-28 04:39:46


半导体本身是个长寿命的器件,如果没有人为的损坏几乎是半永久型的,要是用半导体做照明灯,基本上可以达到灯永久用不坏的目的。

——李晋闽


自古以来,照明光源的历史就与人类文明的发展息息相关。照明光源不仅是人类文明的见证,更是人类文明不断发展和进步的原动力。



图 人类照明史上的里程碑事件


1879年,Thomas Edison发明了白炽灯,使人类进入了电气照明时代,改变了人类社会的生产和生活方式。从此之后,照明光源飞速发展,荧光灯和高压钠灯等相继出现,充当着重要的照明工具。然而,白炽灯发光效率低,荧光灯含汞等有害物质,高压钠灯显色性差,这些光源的致命弱点预示着它们终将不能满足日益发展的人类文明对于节能环保的高度需求。在人们致力于研究开发新光源的同时,半导体技术的发展带领人们进入了信息时代,人们对于半导体材料的研究与应用也越来越关注,发光二极管(LED,light-emitting diode)便在此背景下应运而生。1962年,Nick Holonyak Jr.使用GaAsP为发光材料,发明了第一颗p-n结红光LED。在随后大约四十年中,GaP(550nm,绿色)、GaAsP(650nm,橙色和黄色)、GaAlAs(680nm,红色)、AlInGaP(590-620nm,黄-橙黄色)等多种材料体系的LED相继推出,不过发光波长均长期局限于红色和黄绿色,难以实现更短波长的蓝光LED。直到二十世纪九十年代左右,日本名古屋大学的赤崎勇(Isamu Akasaki)和天野浩(Hiroshi Amano),以及日本日亚公司的中村修二(Shuji Nakamura)通过不断努力成功解决了高质量GaN薄膜的生长与p型掺杂问题,才实现了商业化的高效率氮化物蓝光LED。GaN基蓝光LED的发明被誉为“爱迪生之后的第二次照明革命”。他们三人也因为“发明的高效蓝色发光二极管(LED)带来了明亮而节能的白色光源”而获得了2014年度诺贝尔物理学奖。



诺贝尔奖公布现场展示的使用蓝光LED拼成的A. Nobel字样


Ⅲ族氮化物半导体包括氮化铝(AlN)、氮化铟 (InN)、 氮化镓(GaN)及其合金,属于全组分直接带隙半导体,辐射复合动量守恒,辐射跃迁效率高,其带隙能量涵盖了从近红外到深紫外的宽光谱范围,是目前实现高效率发光二极管的理想材料,也是宽禁带半导体中最具吸引力的材料。然而,在生产实际中,发光二极管的发光效率会受到材料、器件、封装等多种环节和技术的影响,这一系列的问题引起了世界各国众多科技工作者的广泛关注,成为科学研究的热点领域。



图 发光二极管的制作流程与LED的效率


2014年诺贝尔奖委员会在声明中说:“白炽灯点亮了20世纪,21世纪将由LED灯点亮。”短短的二十余年,Ⅲ族氮化物LED技术不仅仅在照明、背光、显示等领域广泛应用,引领着现代照明技术的进步,也在逐步改变着人们的生活方式,向着生物、农业、医疗、保健、航空、航天和通信等“超越照明”的领域发展,为社会进步和经济繁荣发挥着重要作用。不过,随着LED应用领域的不断扩展,新应用领域的不断出现,也会涌现出很多与通信、控制、传感、信息处理、电子、软件、光学等多领域技术交叉的新的基础科学问题,亟需去解决。


我国在Ⅲ族氮化物发光二极管技术方面的研究始于二十世纪九十年代末期,尤其是从2003年我国启动“半导体照明工程”以后,我们开展了一系列基础性、前瞻性、战略性的科学技术研究,在MOCVD装备制造、外延材料生长、芯片制造工艺、封装集成技术各环节均取得了具有国际影响的原创性工作。我们研发的白光LED在350毫安的工作电流下,发光效率从2004年的20流明/瓦提高到2014年的160流明/瓦。LED的发展也为我国的节能减排和经济建设发挥着巨大贡献。


半导体行业已经形成数千亿美元的巨大产业,2014年我国的LED应用产值超过了3500亿元。半导体照明很有特点,它是在科学问题还没有完全解决的同时,市场已有了大量的应用,简单的说就是半导体照明市场的驱动力太强,不像其他新兴产业完全是靠技术来推动的。可是当应用到一定阶段,如果科学问题还未得到解决,后面的发展就会很困难。要加强基础科学方面的研究,否则产业发展就是“无源之水,无本之木”。


《Ⅲ族氮化物发光二极管技术及其应用》是以作者及其研究团队十多年的研究成果为基础,结合国际上最前沿的研究进展和动态,从Ⅲ族氮化物发光二极管的材料外延、芯片制作、器件封装和系统应用等方面详细介绍了Ⅲ族氮化物LED的基本原理、材料性质;外延生长理论,InGaN/GaN多量子阱材料及蓝、绿光LED,AlGaN/GaN多量子阱材料及紫外LED;Ⅲ族氮化物LED量子效率提升技术、关键制备工艺、封装技术及可靠性分析,LED的应用及前沿等内容,集学术性与实用性为一体,希望可以帮助LED领域的相关科技工作者在学术参考和研究领域发展趋势有所帮助,敬请广大读者提出意见和建议。


随着基础研究和工程应用的深入,Ⅲ族氮化物发光二极管技术必将进一步推动我国的第三代半导体技术和产业发展。



本文由刘四旦摘编自李晋闽、王军喜、刘喆Ⅲ族氮化物发光二极管技术及其应用》(科学出版社,2016.3)一书“第一章  绪论”。有修改,标题为编者所加。


ISBN 978-7-03-047264-9


Ⅲ族氮化物发光二极管技术及其应用》以作者及其研究团队多年的研究成果为基础,详细介绍了Ⅲ族氮化物发光二极管(LED)的材料外延、芯片制作、器件封装和系统应用,内容集学术性与实用性为一体。全书共12章,内容包括:Ⅲ族氮化物LED的基本原理、材料性质及外延生长理论,InGaN/GaN多量子阱材料及蓝、绿光LED,AlGaN/GaN多量子阱材料及紫外LED,Ⅲ族氮化物LED量子效率提升技术、关键制备工艺、封装技术,可靠性分析,LED的应用,以及当前氮化物LED的一些研究前沿和热点。



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