新光源LED的发光机理和材料发展历程

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新光源LED的发光机理和材料发展历程：LED是由Ⅲ-V族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）、AlGaAs等半导体制成，其核心是PN结，因此它具有一般PN结的伏安特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

    在正向电压下，电子由流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，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。还有些电子被非发光中心捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。与前几代光源光效的提高受制于发光原理相比，利用载流子的复合发光是LED的一个革命性优势，随着半导体材料的改进和相关技术的成熟，LED的发光效率有可能接近100％。

    由LED发光机理可知，依材料的不同，电子和空穴所占有的能阶也不同，其相对能阶高度差即是决定两种载流子结合所发出能量的高低，可以产生具有不同能量的光子，藉此可以控制LED所发出光的波长，也就是光谱或颜色。因此，欲决定LED所发出光的颜色，可以由材料的结构来选择。实际上，LED的发展即是以半导体材料的发展为基础的。

    制造历史上第一个半导体激光器所使用的材料是p-n同构接面的GaAs，其能隙为1.424eV，所放出的光子波长大约在0.84μm，落于红外光谱。这种能隙与所发出光子波长的关系可以很容易由理论推算而来，研究人员依这些理论推算结果反推而预测出在各种可见光范围所须采用的材料，再根据这些材科的特性而设计出制程技术以及相关设备。在发光材料中最为研究人员所熟知的除了GaAs之外，另有一种结构类似的称为磷化镓(GaP)的材料，其能隙为2.261eV。将GaAs与GaP两种材料混合，可以得到GaAsl-xPx的结构，其中x代表着磷元素取代砷元素的百分比。

    半导体技术和材料的不断进步极大地推进了LED的发展。与大规模集成电路中著名的摩尔定律相似，LED光通量的不断提高遵循着Haitz定律，即每18-24个月翻一番。最近十年，高亮度化、全色化一直是LED材料和器件工艺技术研究的前沿课题。高亮度是指发光强度达到或超过100mcd的LED，又称坎德拉(cd)级LED。高亮度AlInGaP和InGaN的研制进展十分迅速，现已达到常规材料GaAlAs、GAAsP、GaP无法达到的性能水平。
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