发光二极管应用原理 特性

GaN--氮化镓蓝色LED ＆ InGaN—氮化铟镓高亮度蓝色LED（Ⅲ-Ⅴ族）

1、元件构造与发光特性
此种半导体材料的制作是由日本人中村修二（Shuji.Nakamura）博士所研发，当在其研发的时后，大多数人皆一致看好ZnSe材料，但经过中村博士不断的努力，最后制作出目前极为热门的GaN蓝光半导体元件。 GaN采用蓝宝石（Sapphire）作为基板，并在基板上先长出一层以GaN为材料的的缓冲层（GaN Buffer Layer）以降低晶格不匹配的问题，最后做出了PN接面二极管（图3-6），其在当时已是非常了不起的高功率蓝色LED。然而为了提高亮度采用P-GaN/N-InGaN双异质结构（图3-7），此时所发出的蓝色光波长为440nm，但其亮度仍不是户外所能使用的烛光级。由于前述的材料结构所发出之光仍不够亮，且波长偏紫色，故进行结构修改。首先以Zn参杂InGaN发光层以提高亮度，再将GaN改为AlGaN以扩大发光层与夹层的能障，成功地完成了烛光级的高亮度In0.06Ga0.94N/Al0.15Ga0.85N （图3-8），波长为450nm，发光强度为1200mcd，并进而将此蓝色LED商品化。

2、结晶成长技术
中村博士于1990年9月使用创新技术的双气流（two flow）MOCVD，用于GaN的结晶生长，并改良使用GaN作为缓冲层的材料，成功地克服了晶格匹配的问题。再者发现使用热退火的制程，突破GaN结晶膜P型化的问题。上述两种技术的突破，可谓造成今日GaN或InGaN蓝色发光二极管成功的重大因素。

3、应用
在全彩化的条件中，已有红色和绿色高亮度LED，现在蓝色高亮度发光二极管也被开发出来后，更有助于户外大型看板视觉上的改进。

InGaN—氮化铟镓高亮度蓝绿色LED （Ⅲ-Ⅴ族）

上述中的高亮度蓝色InGaNLED，虽然解决了室外全彩化看板的问题，但由于其所发出的光太蓝了，所以不适用于交通号志上。有鉴于此，中村博士将发光层的InGaN中的In含量增加，以使其发光波长能介于蓝绿色的范围。此外，又在InGaN发光层（上图3-8）中同时参入Zn和Si以提高功率，最后做出波长为500nm，亮度为2000mcd的高亮度In0.23Ga0.77N/Al0.15Ga0.85N蓝绿色LED并进行商品化。 InGaN单一量子井（SQW）结构高亮度蓝、黄、绿、紫LED（Ⅲ-Ⅴ族） 将InGaN高亮度蓝绿色LED中的In含量增加时，无法做出波长大于500nm的绿、黄色LED，原因是因为晶格常数不匹配所致。为了改善此现象，中村博士采用了量子井结构来解决此问题（图3-9），在N-InGaN与P-AlGaN间再生长一层不参杂，仅20Å之In xGa1-xN单一量子井结晶层作为活性层，并调整其In含量（不同的颜色时，其三元材料的含量皆不同）以制作SQW高亮度蓝色（x=0.2）、绿色（x=0.43）、黄色、紫色（x= 0.09）LED，波长分别为450nm、525nm、590nm和4