gan基led的发展及其应用

　　gan基led作为制造白光led的核心部分吸引了各国科研工作者对其进行深入研究。gan基led的发展到现在己有近40年的发展史。

　　1971年，第一只gan基led问世。由于当时不能进行gan的p型掺杂，只能采用金属一绝缘体一半导体(mis)结构，虽然这种led使用寿命较长，但其发光效率l匕较低，仅有0.03 %-0.11%。

　　20世界80年代末，第一只gan基pn结led诞生。对此led的实验表明，pn结led的i-v特性和发光效率都明显优于mis结构的led，且其输出光谱中出现两个峰，主峰对应370nm，次峰值则为430nm。此后gan基led得到了迅速发展。

　　1991年，日本nichia公司的nakamura等人成功研制出掺杂mg的同质结gan基蓝光led，并首次实现在gan缓冲层上利用双流mocvd生长gan薄膜，从而大大提高了薄膜质量。其峰值波长430nm，光谱半宽(full width half maximum,fwhm)ssnm，光输出功率为当时市场上sic led的10倍，外量子效率约为0.18%，并且光谱质量较好，只有一个峰值。

　　由于ingan的禁带宽度随in分子比例的改变可覆盖整个可见光范围，因此是led有源层的极佳材料。随着高质量ingan膜的生长成功，高亮度蓝光led也取得了重大进展，使得双异质结((dh)技术得以实现，dh技术的使用有助于限制载流子，实现向有源层的单侧注入。nakamura等人于1993年研制出烛光级高亮度ingan/aigan双异质结的蓝色led，这是第一次采用zn掺杂的ingan作为有源层。在20ma的正向电流下，输出功率为1.smw，外量子效率达到2.7%，主峰波长和fwhm分别为450nm和70nm。

　　90年代后，gan基led进入量子阱led时代。量子阱led分为单量子阱((sqw)和多量子阱(mqw ) led，单量子阱蓝光ingan的led其有源层非常薄，使得fwhm非常窄，更适合做全色显示器件。当输入电流为20ma时，输出功率达到4.8mw, led的发光峰值波长为450nm，外量子效率达到8.7%。而多量子阱蓝光led结构随后也研制出来，大大提高了器件的光子产生效率。

　　从mis结构到pn结的结构到同质结、异质结的结构再到量子阱结构，结构的改变使它们的性能，如输出功率、量子效率、光谱质量等都有了很大的提高。

　　利用蓝色发光芯片涂覆荧光粉技术，可得到白光led。2002年，lumileds宣布其获得了sw,1201m的白色光源。2006年7月，美国cree公司宣布开发出了在20ma电流下发光效率达1311m/w的白光led。

　　2008年9月，美国cree公司成功研制出了冷白光led，在350ma电流下效率达到了1071m/w。2009年初，该公司又宣布其白光led在350ma电流下已实现1611m/w的发光效率，此为业界当时研发成果中的最高效率。

　　2010年2月4日，cree宣布白光大功率led获得新的实验室纪录，光效达到208 im/w，打破了2个月前cree对外宣布的实验室纪录186 lm/w。这一款208 im/wled产生208流明的高输出是在色温在4579 k的情况下实现的，本次测试按照标准的led测试环境进行，也就是在室温环境下35ma电流支持。

　　gan基led的应用

　　目前在led领域，不论是科研人员还是led公司，都对gan基led投入了较大的精力，正是因为gan基高亮度蓝、绿光led有着广阔的应用领域和良好的市场前景。市场分析预测表明，2001年全球蓝光led的市场份额接近10亿美元，到2008年gan器件产值己经达到46亿美元。随着高亮度aigainp红光led和gainn蓝、绿光led的商品化，可见光led的应用领域已经由室内扩展到室外，由单色显示发展为彩色显示，并将在全色动态信息平板显示、固体照明光源、信号指示灯和背光照明等领域获得广泛应用。

　　1. gan基led全色显示

　　全色动态信息显示平板可以广泛的应用于体育场馆、车站、机场、工商业等行业的大型和超大型全色显示屏，作为信息和广告宣传途径。其中蓝光led是实现全色平板显示的关键器件，是全色显示器件中价格较贵的器件，高亮度蓝光led的商品化使全色动态信息显示成为可能。目前仅国内广告业、机场、车站需要的大型显示屏的年成交额达数亿元人民币，而且该市场仍在迅速发展。

　　2. gan基led照明

　　随着第三代半导体材料氮化嫁的突破和蓝、绿、白光led的问世，半导体技术又引发了一场照明领域内的产业革命。利用材料组分变化可以发出波长连续可调的各种色光，构成全色光源，因此半导体led正在逐步替代白炽灯和荧光灯，成为新一代照明光源。世界三大照明工业公司cree, philips, osram均成立了半导体照明企业，以争夺半导体照明新型产业的制高点。

　　目前，利用超高亮度led己经可以制成最大亮度高达soocd/m2的白色平板光源，成为新一代的照明光源，而其耗电量仅相当于相同亮度白炽灯(寿命约为6-12月)的10%-20%，而寿命可达5-10年。如今，这种体积小、重量轻、方向性好、节能、长寿命、耐各种恶劣条件的新型固体光源己对传统的光源市场造成巨大冲击。

　　3. gan基led信号指示

　　传统的公路、铁路交通信号灯、警示灯、标志灯和各类汽车的指示灯均是采用白炽灯加油光片的方法实现各色指示或显示，对光能的利用率最高仅有50%，采用高亮度led光源，不仅响应速度快、寿命长、抗震、耐冲击，而且高效节能。目前，日本已采用高亮度红黄蓝led像素灯作交通信号灯，其耗电量仅为传统信号灯的12%；同时，以高亮度led作为汽车的外部指示灯，可以大大降低汽车用于发电的油耗。