調查表明2016年LEDs在全球普通照明市場的份額將達到 45%，2020年將接近70%。到2020年，該領域的市場容量預計將從目前的約260億美元提高到720億美元。LED裝置是一個復雜的多組分系統(tǒng)，可根據特定需求調整性能特征。以下章節(jié)將討論白光LED及其他應用。

 

發(fā)光二極管（LEDs）的最新進展使得照明行業(yè)快速增長。目前，固態(tài)照明技術逐步滲透到不同細分市場，如汽車照明、室內及室外照明、醫(yī)療應用、以及生活用品。

美國能源部最新報告指出，至2020年，該技術有望減少照明行業(yè)15%的能源消耗，2030年節(jié)約30%——即光2030年就能節(jié)約261 TWh（太瓦時）的能量，以當前的價格計算其價值超過260億美元，相當于美國兩千四百萬家庭目前的能源消費總和。此外，這些節(jié)約的能量用于混合發(fā)電廠將減少大概一千八百萬噸CO2溫室氣體的排放。

雖然在很多情況下，這些設備的初始成本仍然高于現有的光源設備，但是LEDs 更高的效率以及更長的壽命使其具有很強的競爭力。Strategies Unlimited估計2013年全球銷售出4億只LED燈，McKinsey調查表明2016年LEDs在全球普通照明市場的份額將達到 45%，2020年將接近70%。到2020年，該領域的市場容量預計將從目前的約260億美元提高到720億美元。

LED裝置是一個復雜的多組分系統(tǒng)，可根據特定需求調整性能特征。以下章節(jié)將討論白光LED及其他應用。

LED的發(fā)展之路

無機材料中電致發(fā)光現象是LED發(fā)光的基礎，HenryRound和Oleg Vladimirovich Losev于1907年和1927年分別報道LED發(fā)光現象——電流通過使得碳化硅（SiC）晶體發(fā)光。這些結果引發(fā)了半導體及p-n結光電過程的進一步理論研究。

20世紀50、60年代，科學家開始研究Ge、Si以及一系列III-V族半導體（如InGaP、GaAlAs）的電致發(fā)光性能。Richard Haynes和William Shockley證明了p-n結中電子和空穴復合導致發(fā)光。隨后，一系列半導體被研究，最終于1962年由Nick Holonyak開發(fā)出了第一個紅光LED。受其影響，1971年George Craford發(fā)明了橙光LEDs，1972年又相繼發(fā)明了黃光和綠光LEDs（均由GaAsP組成）。

強烈的研究迅速使得在寬光譜范圍內（從紅外到黃色）發(fā)光的LEDs實現商業(yè)化，主要用于電話或控制面板的指示燈。實際上，這些LEDs的效率很低，電流密度有限，使得亮度很低，并不適于普通照明。

藍光LEDs

高效的藍光LEDs的研發(fā)花費了30年的時間，因為當時沒有可應用的足夠質量的寬帶隙半導體。1989年，第一個基于SiC材料體系的藍光LEDs商品化，但由于SiC是間接帶隙半導體，使得其效率很低。20世紀50年代末就已經考慮使用直接帶隙半導體GaN，1971年JacquesPankove展示了第一款發(fā)射綠光的GaN基LED。然而，制備高質量GaN單晶以及在這些材料中引入n-型和p-型摻雜的技術仍然有待開發(fā)。

20世紀70年代發(fā)展的金屬-有機物氣相外延（MOVPE）等技術對于高效藍光LEDs的發(fā)展具有里程碑意義。1974年，日本科學家Isamu Akasaki開始采用這種方法生長GaN晶體，并與Hiroshi Aman合作于1986年通過MOVPE方法首次合成了高質量的器件級GaN。

另一個主要挑戰(zhàn)是p-型摻雜GaN的可控合成。實際上，MOVPE過程中，Mg和Zn原子可進入這種材料的晶體結構中，但往往與氫結合，從而形成無效的p-型摻雜。Amano、Akasaki及其合作者觀察到Zn摻雜的GaN在掃描電子顯微鏡觀察過后會發(fā)射更多的光。

同樣的方式，他們證明了電子束輻射對Mg原子的摻雜性能起到有益的作用。隨后，Shuji Nakamura提出在熱退火之后增加一個簡單的后沉積步驟，分解Mg和Zn的復雜體，該方法可輕易實現GaN及其三元合金（InGaN、AlGaN）的p-型摻雜。

應該指出的是，這些三元體系的能帶可通過Al和In的成分進行調節(jié)，使得藍光LEDs的設計增加了一個自由度，對于提高其效率具有重要的意義。事實上，目前這些器件的活性層通常由一系列交替的窄帶隙InGaN和GaN層以及寬帶系的p-型摻雜AlGaN薄膜（作為載流子的p-端約束）組成。

1994年，Nakamura及其合作者基于n-型和p-型摻雜AlGaN之間Zn摻雜InGaN活性層的對稱雙異質結構設計，首次展示了具有2.7%外量子效率（EQE）的InGaN藍光LED（框1列舉出了LEDs主要的性能指標定義）。

該LED結構示意圖示于圖1a。這些結果對于如今應用的LED基照明技術而言是很關鍵的，也因此引發(fā)了照明行業(yè)的革命。2014年底，諾貝爾物理學獎授予Akasaki、Amano和Nakamura，表彰他們“發(fā)明用于照明以及白光源節(jié)能的高效藍光LED”。

LED性能指標

量子效率Quantum efficiency：材料內量子效率（IQE）為輻射的電子-空穴復合（即產生光子）數量與復合總量（輻射與非輻射）的比值。