LED的工作原理是在正向?qū)�通的情況下，注入二極管P/N節(jié)區(qū)的電子和空穴相遇復(fù)合，將電勢能轉(zhuǎn)換為光能。所發(fā)出光子的波長（也就是光的顏色）是由半導(dǎo)體的能帶寬度決定的，通俗地講，半導(dǎo)體能帶寬度越寬，發(fā)出的光子能量越大，對應(yīng)的波長越短，簡單的換算關(guān)系是：（nm）。當(dāng)前藍(lán)、綠光LED器件的材料基礎(chǔ)是III族氮化物半導(dǎo)體，也就是GaN為主，InN、AlN為輔的四元AlGaInN合金體系，   
目前，絕大部分藍(lán)、綠光LED芯片的量子阱發(fā)光層材料是由InxGa1-xN合金和GaN組成的，由于InxGa1-xN合金的能帶寬度隨著InN的比例x變化，可以在3.4eV（對應(yīng)GaN的能帶寬度）和0.7eV（對應(yīng)InN的能帶寬度）調(diào)整，所以理論上這個材料體系可以覆蓋整個可見光光譜區(qū)域。
但是，目前的材料制備技術(shù)是基于GaN晶體的外延層生長技術(shù)，只能生長含InN組份較低的合金材料。InxGa1-xN合金在InN的組份x>15%以后，晶體質(zhì)量急劇下降。實(shí)際上，目前工業(yè)界的技術(shù)水平通常做到藍(lán)光芯片的電光轉(zhuǎn)換效率大約是綠光的2倍，就是因為前者的InN組份遠(yuǎn)小于后者，綠光器件中InN的組份估計已經(jīng)在30%以上（InGaN合金材料精確組份的測定目前在學(xué)術(shù)界還是一個疑難科學(xué)問題）。也就是說，目前的技術(shù)還很難通過繼續(xù)增加InN的組份，使得InGaN合金器件能高效率地發(fā)出紅光。但值得慶幸的是，早在上個世紀(jì)90年代，III族磷化物體系（也通常表述為四元體系，AlGaInP）已經(jīng)成為紅、黃光LED器件成熟的材料基礎(chǔ)。這兩個材料體系的基本物理特征以及其所含元素在周期表中的位置。  
III族氮化物半導(dǎo)體材料目前工業(yè)化制備是通過金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD）來實(shí)現(xiàn)的。該技術(shù)的基本原理是通過在密閉化學(xué)反應(yīng)腔中引入高純度的金屬有機(jī)源（MO源）和氨氣（NH3），使其在加熱的襯底基板（一般選擇藍(lán)寶石做襯底）上生長出高質(zhì)量的晶體。基本化學(xué)反應(yīng)式是：Ga（CH3）3+NH3→GaN+CH4.通常GaN晶體是六方狀的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，基本的物理特性如表2所示。
需要特別指出的有兩點(diǎn)：
（1）GaN的能帶寬度在常溫300K時，等于3.39eV,是非常難得的寬禁帶半導(dǎo)體材料，如果發(fā)光，對應(yīng)的光子波長應(yīng)該是，屬于紫外光；
（2）GaN的p-型摻雜非常困難，目前可以達(dá)到的載流子濃度比n-型摻雜低將近兩個數(shù)量級，電阻很大。這個特性對其器件的設(shè)計提出了特殊的要求，這一點(diǎn)在隨后介紹LED器件結(jié)構(gòu)時將提到。GaN與它同族的AlN和InN的物理屬性差異非常顯著，表3給出了具體的比對。在晶體生長過程中，GaN晶體的取向和藍(lán)寶石襯底的晶面選擇有著密切關(guān)系。當(dāng)前，工業(yè)化生長GaN晶體一般都取c-面的藍(lán)寶石作為襯底基板，GaN晶體生長與襯底晶體取向會保持一個固定的配位關(guān)系（這也就是“外延”的意思）。GaN外延片表面是晶體的六方密排c-面，晶體的生長是沿著c-軸逐層原子堆積而成的，也就是c-軸方向成長。   
GaN基LED外延片的基本結(jié)構(gòu)是在藍(lán)寶石襯底上依次生長：（1）GaN結(jié)晶層；（2）n-型GaN（實(shí)際生產(chǎn)中一般先長一層非故意摻雜的n型GaN）；
（3）InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層；
（4）p-型GaN.為了獲得高性能的器件，整個外延生長過程的各項參數(shù)都要得到優(yōu)化并且精確控制，其中對發(fā)光效率影響最大的結(jié)構(gòu)是InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層。p和n型材料的摻雜元素通常為Mg和Si,Mg通過替代GaN中的Ga原子（Mg比Ga少一個外圍電子），形成一個空穴載流子，Si通過替代Ga原子，形成一個電子載流子（Si比Ga多一個外圍電子）。一般整個器件的外延層厚度范圍在4~8μm,平均生長速度大約1μm/小時，因此完成一次器件的生長大約需要8小時。
完成MOCVD外延生長后，需要通過一系列的光罩圖形處理和物理刻蝕或沉積工藝制備GaN基LED芯片。普通藍(lán)、綠光LED芯片的基本結(jié)構(gòu)，需要在外延片上依次做如下器件加工：
（1）刻蝕局部區(qū)域露出n-型GaN導(dǎo)電層；
（2）蒸鍍透明導(dǎo)電薄膜NiAu或ITO;
（3）蒸鍍焊線電極，包括p電極和n電極；
（4）蒸鍍鈍化保護(hù)層。芯片加工過程需要嚴(yán)格管理質(zhì)量，避免出現(xiàn)類似焊盤機(jī)械黏附力不足、表面異物污染等容易導(dǎo)致器件在封裝使用過程失效的問題。此外，芯片隨后還需要做襯底減薄、物理切割分離、測試、分選，最后獲得光電參數(shù)一致的芯片成品。由于GaN基LED芯片襯底藍(lán)寶石是絕緣體，芯片通過上表面的兩個+/-電極與金屬焊線連接來導(dǎo)電。
相比而言，目前普通GaAs襯底的紅光芯片還是通過導(dǎo)電膠使襯底與支架之間形成導(dǎo)電通道，工藝控制導(dǎo)電膠的物理黏結(jié)強(qiáng)度對封裝斷路失效控制就顯得特別重要。   
藍(lán)、綠光LED芯片光電參數(shù)特征
1、I-V關(guān)系曲線
藍(lán)、綠光LED芯片通常在正向加壓2.4V左右時開始導(dǎo)通，工作電流20mA下電壓Vf的范圍一般是3.0~3.4V（對于14×14mil2見方的芯片尺寸，），較高的工作電壓是由GaN半導(dǎo)體的禁帶寬度決定的。  
2.2環(huán)境溫度對光電特性的影響
一顆普通結(jié)構(gòu)14×14mil2綠光LED芯片在不同環(huán)境溫度下的特性變化曲線。當(dāng)環(huán)境溫度從20℃上升到80℃時，顯示綠光LED的發(fā)光波長發(fā)生明顯漂移，從522nm紅移到527nm;顯示發(fā)光亮度降低了25%;顯示工作電壓從3.23V降到2.98V。   
隨著環(huán)境溫度的升高，發(fā)光波長紅移以及工作電壓下降都是由于半導(dǎo)體禁帶寬度縮小導(dǎo)致的。但是，由于GaN體系的材料禁帶寬度大，可以容忍的環(huán)境溫度上限比其它材料有非常明顯的優(yōu)勢。實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，在150℃環(huán)境溫度下，GaN基的藍(lán)、綠光LED器件還可以發(fā)光，只是效率大大降低了。但是，另一方面，對于此類普通結(jié)構(gòu)的芯片，藍(lán)光的電光轉(zhuǎn)換效率在20~30%之間；綠光明顯更低，一般只有10~20%.電能除了少部分轉(zhuǎn)變成光能外，其它都產(chǎn)生熱，這些熱能對于微小的晶片面積來說是很大的負(fù)擔(dān)。因此，在芯片封裝使用時，需要特別注意做好芯片的散熱通道設(shè)計，從而確保芯片能穩(wěn)定可靠地工作。
2、工作電流密度對波長的影響
普通14×14mil2綠光LED芯片發(fā)光波長隨工作電流變化的曲線。隨著電流密度的增大，綠光芯片發(fā)光波長從534nm（2mA下測試）藍(lán)移到522nm（30mA下測試）。實(shí)際上藍(lán)光芯片也有類似的藍(lán)移趨勢，只是幅度比綠光芯片小，這個特性對設(shè)計使用芯片的工作條件非常重要。為了避免顏色隨亮度變化而發(fā)生漂移，調(diào)節(jié)亮度的方式一般選擇改變脈沖寬度，而不是改變電流強(qiáng)度。
為發(fā)光層量子阱工作的基本原理示意圖。電子-空穴復(fù)合生成光子的能量決定了發(fā)光波長，而光子的能量是由束縛在量子阱的電子-空穴對的勢能決定的。實(shí)際上，芯片從2mA增加到30mA電流的過程中，量子阱中電子-空穴對的勢能發(fā)生了兩個非常重要的變化：先是屏蔽了量子阱內(nèi)建電場，使得導(dǎo)帶和價帶距離增大；然后載流子填充效應(yīng)使得電子-空穴對之間的勢能進(jìn)一步增大，而增大的電子-空穴對勢能轉(zhuǎn)變成的光子對應(yīng)的波長將變短，這一點(diǎn)可以從前述波長和能量的換算關(guān)系推得。   
技術(shù)發(fā)展歷程中的關(guān)鍵階段
1、p-n結(jié)GaN二極管關(guān)鍵技術(shù)突破階段（1970~1993年）
早在1970年代，美國科學(xué)家J.Pankove等人就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)GaN是一種良好的寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)光材料，并且成功制作了能發(fā)出藍(lán)光的GaN肖特基管。但是，隨后的十幾年里，科學(xué)家們的努力研究一直沒能突破制備p-型GaN材料的難關(guān)。直到20世紀(jì)80年代末期，日本科學(xué)家Akasaki和Amano發(fā)現(xiàn)，可以先在異質(zhì)襯底上沉積AlN結(jié)晶層，然后能夠?qū)崿F(xiàn)MOCVD外延生長表面平整的GaN單晶薄膜材料。在此基礎(chǔ)上，他們又發(fā)現(xiàn)可以通過電子束激活Mg摻雜的GaN材料中的空穴載流子，實(shí)現(xiàn)p-型GaN材料的制備，這是GaN基p-n結(jié)發(fā)光二極管最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)突破。隨后，GaN基LED技術(shù)從研究院所的實(shí)驗室走進(jìn)了工廠。日本Nichia（日亞）公司的科學(xué)家Nakamura[15,16]實(shí)現(xiàn)了采用GaN結(jié)晶層實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的外延層MOCVD生長，很快又發(fā)現(xiàn)可以通過熱退火的方式激活Mg摻雜的GaN實(shí)現(xiàn)p型導(dǎo)電。作為這一系列突破的成果，1993年Nichia公司成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)GaN藍(lán)光LED.
2、內(nèi)量子效率提升階段（1993~2000年）
在成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)藍(lán)光LED后，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對該領(lǐng)域的許多關(guān)鍵物理課題投入了極大的研究熱情。核心問題之一就是如何提高藍(lán)光LED芯片的InGaN/GaN量子阱內(nèi)量子效率，也就是如何提高電光轉(zhuǎn)換效率。許多研究單位和企業(yè)的MOCVD設(shè)備被用于試驗優(yōu)化生長條件，提高InGaN量子阱的晶體質(zhì)量；同時還有很多新的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計也被嘗試以提高載流子的注入效率和復(fù)合效率。在這階段，新的研究發(fā)現(xiàn)主要促成了兩大成果：（1）綠光LED的商用化（1995年[17]）；（2）藍(lán)光LED效率得到了成倍提升。
3、內(nèi)、外量子效率同時提升階段（2000年至今）
在藍(lán)、綠光LED性能顯著提高的基礎(chǔ)上，它們得到了大規(guī)模的商用化，特別是在移動電話背光源，全彩廣告看板等應(yīng)用領(lǐng)域�；�于商業(yè)利益的刺激，提高發(fā)光效率成了企業(yè)間的生死時速競賽，這在中國臺灣地區(qū)、韓國以及中國大陸地區(qū)顯得尤為激烈。在很多企業(yè)短時間無法顯著提高內(nèi)量子效率的情況下，這些新進(jìn)入者開始大膽嘗試在出光效率上做文章，也就是提高外量子效率。主要突破點(diǎn)在于：（1）用ITO導(dǎo)電薄膜替代金屬半透過膜NiAu,透過率提高了約25%,也就是亮度提高了25%;（2）通過在外延層表層生長V型坑缺陷，使得表面全反射被打破，從而顯著提升取光效率；（3）通過利用表面粗化的藍(lán)寶石襯底片，打破GaN/藍(lán)寶石的全反射界面，也實(shí)現(xiàn)了顯著提升取光效率的效果。這些方法在引入初期均導(dǎo)致了器件其它光電性能的嚴(yán)重犧牲，比如衰減嚴(yán)重、易產(chǎn)生漏電、靜電防護(hù)能力弱等等。但是，隨著企業(yè)研究人員的工程技術(shù)進(jìn)步，各種特性逐步得到改善，同時，對外延材料特性的進(jìn)一步認(rèn)識也促進(jìn)了內(nèi)量子效率持續(xù)的提升。作為結(jié)果，在這一階段，藍(lán)、綠光LED發(fā)光效率都得到了成倍的提升，最新的研究結(jié)果表明，藍(lán)光LED在優(yōu)化內(nèi)、外量子效率的情況下，可以實(shí)現(xiàn)50%的電光轉(zhuǎn)換效率。  
技術(shù)發(fā)展趨勢展望
通過外延材料制備技術(shù)的提高和器件物理結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，藍(lán)、綠光LED技術(shù)在過去20年里取得了令人矚目的發(fā)展。同時，歸功于性能的不斷提升以及成本的快速下降，應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模也得到了極大的發(fā)展。但是，展望未來更富有挑戰(zhàn)性的通用照明新領(lǐng)域，LED技術(shù)更進(jìn)一步的突破是必須的。這一次的突破將更為集中地圍繞如何降低LED的使用成本，關(guān)鍵有三個發(fā)展方向：（1）降低器件的制造成本；（2）提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率；（3）提高器件的輸入功率。
1、降低器件的制造成本
LED器件的制造成本相對硅基器件而言還是很高的，這主要是由于該產(chǎn)業(yè)的規(guī)模以及技術(shù)發(fā)展程度還遠(yuǎn)不及硅基半導(dǎo)體工業(yè)。但是，參考成熟半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展歷程，我們可以預(yù)期LED器件的制造成本將在未來10年有持續(xù)下降空間。主要的成本節(jié)約貢獻(xiàn)將重點(diǎn)依靠三個部分：（1）核心設(shè)備制造技術(shù)的進(jìn)步將成倍提高生產(chǎn)效率，從而顯著降低折舊成本，最為典型的就是GaN外延的MOCVD設(shè)備；（2）加工圓片的尺寸成倍提升，從目前主流的2英寸圓片發(fā)展到4英寸，將大大降低芯片工藝的加工成本；（3）產(chǎn)業(yè)規(guī)模的級數(shù)擴(kuò)大將顯著降低消耗原物料的成本和綜合管理成本。綜合這些因素，可以預(yù)期未來10年LED芯片的成本將會持續(xù)降低，這將進(jìn)一步刺激LED新興應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
2、提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率
LED器件電光轉(zhuǎn)換效率的提升也將顯著降低最終客戶的使用成本，這里的成本節(jié)約體現(xiàn)在兩方面：一方面是單位流明亮度的芯片成本將隨著芯片發(fā)光效率的提升而下降；另一方面是電能的節(jié)約，比如從能效25%的芯片技術(shù)發(fā)展到50%的技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)節(jié)能一半的效果。而且更有意義的是，節(jié)能的效益不僅體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)上，還體現(xiàn)在社會效益上。因此，在轉(zhuǎn)換效率提升的研究上，將繼續(xù)獲得大量商業(yè)和政府的研發(fā)資源。
電光轉(zhuǎn)換效率的提升將沿著前述的兩個方向持續(xù)推進(jìn)：（1）內(nèi)量子效率的提升；（2）取光效率的提升。內(nèi)量子效率的提升主要依靠MOCVD外延材料制備技術(shù)的進(jìn)步，通過改善發(fā)光層量子阱（MQW）的晶體質(zhì)量，提高器件的載流子注入效率和復(fù)合效率，這方面的提升空間目前已經(jīng)變得較為有限。相反，取光效率的提升還有很大的開發(fā)空間，這方面的主要工作將在于：（1）進(jìn)一步優(yōu)化界面粗糙化的工藝，從而提高光從發(fā)光層逸出的效率；（2）改善芯片切割工藝，減少透明藍(lán)寶石襯底側(cè)面亮度吸收損失。
3、提高器件的輸入功率
在可以保持器件電光轉(zhuǎn)換效率不變的前提下，通過提高單位面積芯片的輸入功率，也可以達(dá)到降低使用成本的效果。這個努力方向依賴兩方面的技術(shù)進(jìn)步：一方面，需要盡可能降低芯片以及封裝結(jié)構(gòu)的熱阻，這樣可以在一定的器件工作溫度上限內(nèi)提高輸入功率水平；另一方面，需要改善器件MQW結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其可以在更高注入載流子密度的條件下保持一定的電光轉(zhuǎn)換效率。在器件熱阻控制的研究方向，目前LED產(chǎn)品領(lǐng)域還有許多空間可供開發(fā)，特別是在低熱阻的焊接固晶技術(shù)、高導(dǎo)熱系數(shù)的焊接材料以及芯片支架材料方面，都是值得認(rèn)真研究的。
結(jié)論
GaN基藍(lán)、綠光LED技術(shù)過去二十幾年的進(jìn)步，已經(jīng)開始在全球開啟了一個嶄新的固態(tài)新光源時代，這個技術(shù)不但帶來了色彩斑斕、節(jié)能環(huán)保的新光源，而且正孕育著一個更為廣闊的市場空間--固態(tài)通用照明市場。由于該技術(shù)巨大的節(jié)能效益以及其材料的環(huán)保特征，許多戰(zhàn)略研究項目得到了各主要國家的高度關(guān)注，同時，也吸引了大批企業(yè)投身其中參與產(chǎn)品開發(fā)和推廣。有理由相信，在未來10年內(nèi)，GaN基藍(lán)、綠光LED技術(shù)的發(fā)展必將促成一個欣欣向榮的新型固態(tài)照明市場！