蓝光LED的发明难度在哪里？

非诚勿扰孟非

赤崎勇甚至因此获得诺贝尔物理学奖
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不请自来
波长越短越难造。
（LED发明的顺序是红橙黄绿青蓝紫。）

同花顺

蓝光LED的发明被认为是LED技术发展的一个重大突破，其难度主要集中在以下几个方面：

• 材料选择与制造：
  

• 蓝光LED需要使用宽禁带半导体材料，而最常用的材料是氮化镓（GaN）。然而，GaN晶体的生长和制备非常困难，需要高温高压条件，且要确保高纯度和低缺陷密度。
  
• 制备高质量的GaN薄膜并将其成功地沉积在合适的衬底上（例如蓝宝石、碳化硅或硅）也是一大挑战。GaN与这些衬底材料之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数差异，容易导致薄膜内产生应力和缺陷，从而影响器件性能。
  

• p型掺杂的实现：
  

• 实现GaN的p型掺杂是另一个关键难题。在氮化物半导体中，很难进行有效的p型掺杂，因为接受体能级较深，导致载流子浓度低和电阻率高。通过引入镁（Mg）作为受体掺杂元素，并采用特定的热处理方法，才最终解决了这个问题。
  

• 器件结构设计：
  

• 为了提高蓝光LED的效率，需要精心设计器件结构，包括多量子阱结构（MQW）、电子阻挡层（EBL）等。这些结构的优化可以提高电子和空穴的复合效率，减少载流子泄漏。
  

• 工艺控制和可靠性：
  

• 生产过程中需要保持严格的工艺控制，以确保每个制造步骤的准确性和一致性。从外延生长到后续的芯片加工，每一步都可能影响最终的器件性能和可靠性。
  
• 蓝光LED的长期稳定性和寿命也是需要考虑的问题。这涉及热管理、防止材料老化和光效降低等。
  

• 光提取效率：
  

• 高折射率的GaN材料使得光从芯片内部出射到空气中面临较大的全反射损失。因此，需要设计和采用各种光提取结构，如表面粗化、微透镜、反射层等，以提高光提取效率。
  

正是由于这些技术难题，使得蓝光LED的发明成为一项复杂而具有挑战性的任务。然而，通过多年的研究和不断创新，这些问题逐步被克服，蓝光LED的成功问世不仅推动了照明技术的革命，也为显示技术、医疗、通信等领域带来了广泛的应用前景。

继续前进

蓝光在LED中是制造难度最低的，用GaN芯片即可。现在照明用的白光LED，全都是以蓝光芯片为底子，涂了荧光粉后封装而成的。那个人得诺贝尔奖是因为LED这个东西是他首创的，而不是因为做成蓝光很困难，你这个逻辑有点问题。
LED中制造难度最高的是UVB和UVC，也就是240-340nm的波段。因为这个波段光子能量高，GaN的禁带宽度不够大，所以需要掺入铝等元素，这种材料在大电流下不稳定，大部分电能都转化为热能。按目前水平，这些LED的发光效率(光功率/电功率)低得匪夷所思，大概只有1-2%。而比较优质的蓝光LED的发光效率已经达到了60%左右，可谓是天壤之别。还有UVA，波长和制造难度都介于蓝光和UVB之间。市面上主要是365nm的，十年前水平也很差，但现在突飞猛进，发光效率可达40%。UVA灯一般用在固化，晒版，油墨印刷等场合，以前都是用高压水银灯。这种灯笨重无比，一台镇流器都是几十斤，灯管发热可达600℃，能产生固化作用的有效波段能量不到耗电量的10%。因为温度太高，灯管寿命最多只有三个月，如果整天开着就只有一个月。灯管里面一大粒水银，换新灯管后，旧灯管的水银难以处理。总之和LED比，极端不环保，缺点爆表。所以这也倒逼了研究者撸起袖子加油干，努力提高UVA LED的发光效率。UVC主要是杀菌灯，目前一般也是水银灯，同等成本下，UVC LED的发光功率还不到水银灯的1/20，这个差距难以在可预计的时间内赶上。因为这里是低压水银灯，含水银极少(比一颗芝麻还少)，不足以污染环境，而且低压灯发热小，寿命可以长达几年。还有，这种低压灯就是日光灯原理，一个很小的电子镇流器即可，不像高压水银灯那样，必须用几十斤的铁心镇流器。综合来说，目前没有太强的动力倒逼UVC LED的研发。
至于红外波段，因为需要的禁带宽度小，一般用GaInN，或者掺入As等元素。这个市面上只有特定波段(850nm和940nm)，主要是安防夜视仪用的。比起用可见光，红外线的优势是人眼不可见，小偷晚上进小区什么设备都没看到，夜视仪却把他偷东西的镜头悄咪咪记录下来了。但红外线最主要的应用是发热，比如烤箱，小太阳取暖器，碘钨灯。这些应用对波长没有严格要求，但要求很大的功率(几百到几千瓦)。不要求波段的红外线光源很简单，就是一个电阻丝，碳纤维或者钨丝，成本特别低，可能就几块钱。可是单颗大功率红外LED的输出功率一般不到10W，成本还高，用一大堆红外LED来发热那简直是赔钱的傻事。
LED这东西还挺有意思的，先写到这里吧。