摘要
在现代人的生活照明中，LED 灯照明发挥着越来越重要的作用。但是，作为芯片的一种，灯泡中的 LED 芯片对现代人是很陌生的。因此，我们有必要对 LED 芯片的结构、历史、产业现状和发展潜力做一个简要的介绍。
其实，我也是芯片，我本应受人瞩目。我跟我的大哥，逻辑芯片，不一样，我是一粒光电芯片。我的大哥生活在电脑里，而我生活在电灯泡里 [1]。一对比电脑和电灯泡，你们可能就要笑我了，笑我档次低。虽然有时候我挺沮丧的，但我不得不承认，我的大哥确实很优秀，甚至于优秀过了头。他作为电脑的核心单元，不仅用心算能力把人类送上月球，还促成了人类有史以来最大的移民潮——从物理世界到数字世界。是啊，我一般很佩服他，但是，不得不说，我私下里认为他呆头呆脑的，缺乏生气，就知道记 0 和 1。再说了，我有自己的骄傲，我可以发光啊！我的世界充满了色彩！你们想想看吧，人类史差不多就是一部追求光明的历史，而我就站在当下发光效能的浪潮之巅 [2]，所以我理应被关注、被书写。
既然我才开始要被人关注，那么我先狠狠地介绍一下现在的自己。首先，先说说我的样子吧。我像薄薄的一张纸，长相方方正正、人畜无害的，尺寸很小，我一般才 2mm × 2mm 大。虽然这是我本来的样子，但却不是你们印象里的那样。你们的想象的我是不是一根小圆柱子，就像图 1 里的那样？
图 1 LED 的基本结构。
实际上，那是我被一些辅助元件保护起来了。别看我很小，好像很简单的样子，但其实我内部的结构可复杂了。我有三个基本部件，衬底、外延片和电极引脚。打个比方吧，我们想象一份美味的三明治。衬底就像三明治的底层面包，它提供了稳定和支撑，并且通常由蓝宝石或硅等制成。外延片就像三明治中间的夹层，它提供了主要的口感和风味，因为它是真正产生光的地方——PN 结。电极引脚就像三明治的顶层面包，它可以让我们轻易地加电压控制这个 LED。至于我该怎么产生光，那要归功于在 PN 结中的电子 - 空穴复合了 [3]，这可以类比于人群在山脚和山顶之间的移动。我们可以把电子想象成在山顶游行的人，把空穴想象成在山脚的人群中的空白位置，把 PN 结看成山脚和山顶之间陡峭的斜坡。
当我们通过电极给 PN 结施加正向电压时，就像在斜坡上方修建了缆车，电子和空穴可以自由地向对方移动、碰撞和复合发光。但是，如果电子或空穴跟原子相互碰撞的话，就像人群撞到了树上，那么发出来的就不是光，而是热了。因为这热量积累起来会烧掉我们芯片，所以我们都希望多发光，少发热。值得说明的是，这光线的波长取决于斜坡的高度，斜坡越矮，波长越长。另外，当我们给 PN 结施加反向电压时，人群被斜坡所阻碍，无法移动，自然就没有光。对于 LED 灯泡的完整结构，除了最重要的我之外，LED 灯还包括金属线、银浆、支架和树脂。我可讨厌裹在我外面的银浆弟弟了，虽然他可以帮助导电，但是他死死抱住我，害得我动弹不得，喘口气都费劲儿。相反地，我喜欢透明的树脂妹妹，我感谢她把我们封装好，不被灰尘、湿气破坏，而且我发出来的光必须从她那儿过呢。
刚才介绍的不是我一开始的样子，为了让你们更了解我，我想吹嘘一下我的成长史，简要地 [1]。我的故事差不多是一部屌丝逆袭的历史，开始于 19 世纪末到 20 世纪初的第二次工业革命。在 1907 年的英国，马可尼公司的工程师 Henry J. Round 对碳化硅（SiC）半导体二极管两端加电压后，晶体发出了微弱的黄色光，如图 2 所示。
图 2 重现 H. J. Round 1907 年通过与碳化硅晶体点接触观察电致发光的实验。
随后以给编辑的信的形式，Round 在电气世界（Electrical World）期刊上用区区两段话发表了他的发现 [4]。在后来很长的时间里，他和他的发现一样寂寂无名。到了 1924 年，自学成才的苏联工程师 Oleg Losev 第一次提出了正确的理论解释——二极管的发光是一种电光效应，而不是热电效应。虽然他只读过小学，但是凭借他研究半导体发光的几十篇文章，他获得了一个博士学位。然而，不幸的是，在列宁格勒保卫战期间，时年 38 岁的他在孤独和饥饿中死去，如彗星划过夜空 [5]。到了 1960 年代，在美国工程师的努力之下，这电致发光的现象又在别的材料上被发现了。其中，通用电气的杰出工程师 Nick Holonyak Jr.发现磷化镓砷（GaAsP）二极管可以发出红光。Holonyak 为我们 LED 的实际应用奋斗了一辈子，于去年 9 月安详辞世 [6]。通用电气又经过六年的努力，在这种红光二极管的发光效率达到跟白炽灯相当的 1 lm/W 级别时，率先开启了我们的商业化浪潮。在浪潮汹涌的 1970 和 1980 年代，人们先在磷化镓（GaP）上又看到了绿光，又在砷化铝镓（AlGaAs）上看到了发光效率高达 10 lm/W 的红光。虽然人们已经陆续获得了红光和绿光的 LED，但是，通用照明要求的白光还需要最后的蓝光 LED。在前景向好的浪潮之下，越来越多雄心勃勃的年轻人加入"淘金热"，但吊诡的是，人多了进展反而停滞下来了。为了寻求最后的圣杯——蓝光 LED，人们一股脑地扎进硒化锌（ZnSe）的研究中，因为人们先入为主地认为缺陷浓度较少的 ZnSe 是获得蓝光的不二选择，相比另一个候选材料——后来大名鼎鼎的氮化镓（GaN）[2]。最多的时候，这两种材料的研究人数差了三个数量级 [2]。在早期研究 GaN 的几个英雄里，有日本名古屋大学的 Akasaki Isamu 和 Hiroshi Amano，还有日亚化工（Nichia）的执拗的小职员——Shuji Nakamura。1989 年，在大学的这师徒俩第一次在实验上看到了 GaN LED 发出的蓝光。大约同一时候，正在佛罗里达大学访问的 Nakamura，因为只有硕士学位而备受冷落，他愤愤不平地立志要发文章来换一个博士学位。当他看到氮化镓被研究的少时，为了好发文章拿学位，他直接选择了研究 GaN[7]。经过几年的日式苦干，在 1993 年的冬天，Nakamura 显著地提高了 GaN LED 的发光效率，推动了 GaN 研究的井喷、蓝光 LED 和通用白光 LED 的量产。为了多发光，在 Nakamura 等人的后续改进下，今天白光 LED 的发光效率能达到 300lm/W，寿命达到惊人的几十年 [2, 8]。当然，他后来如愿拿到了学位 [7]。
上面我已经告诉你们历史上我是怎么从 0 到 1 被发明的，但要明白我在千家万户那影响力的来源，你们还需要知道我是怎么从 1 到 N 被批量生产出来的 [1]。宽泛地说，这规模化生产是工业时代出现指数爆炸式繁荣的秘密。在农业社会，无论是商业，还是土地，说到底是个零和博弈，是个能利用的太阳能守恒的过程。到了工业时代，额外的财富来自于经科技释放出来的化石燃料。工厂在设备投资不变的情况下，工厂的产量越高，成本反而越低，而不是农业时代靠人力时的相同成本 [9]。接下去，只要有足够的市场，那么工业造富的飞轮就会转起来。具体地说，LED 照明产业的繁荣遵从同样的道理——机器主导的规模生产。这个产业按照从材料生长、芯片制造到器件生产的流程可以划分成上、中、下游。从上游到下游，技术难度逐渐降低，同时生产利润一般也逐渐减少，分别是 70%、20% 和 10%。上游环节利用晶体生长设备在衬底上生长出外延片。目前商业化的衬底主要有被日本的日亚化工所垄断的蓝宝石衬底和被美国科锐（Cree）公司所垄断的碳化硅衬底。技术含量最高的晶体生长设备主要被三家公司垄断，德国的爱思强（Axitron）、美国的威可（Veeco）、日本的大阳日酸株式会社（Taiyo Nippon Sanso）。中游环节在外延片的基础上，做光刻、刻蚀、封装和测试等得到 LED 芯片，这也就生产出了我。最后呢，下游环节在我们 LED 芯片的基础上，通过光学、电学和结构等的设计，e.g. 加银浆、加树脂，来生产出具有照明、装饰等功能的产品。目前我们这个产业的产值在 640 亿美元左右，主要的四个产地是日本、美国、德国、中国 [1, 10]。其中，日美擅长生产红光和蓝光 LED，尤其是高亮度的产品。在强敌环伺下，中国主要做下游环节，生产低亮度的黄光和绿光 LED。
作为芯片的代表之一，我们 LED 芯片未来的发展也遵循着自己的摩尔定律，而发展潜力最大的市场还得看中国。LED 行业的摩尔定律——Haitz 定律是在 2000 年，由 Roland Haitz 在一次光电领域大会上提出来 [11]。Haitz 定律指出每十年，LED 的发光效率会增加 20 倍，而成本就会降低 10 倍，如图 3 所示。
图 3 Haitz 定律的插图，每个 LED 封装的光输出是时间的函数，请注意垂直轴上的对数刻度。
也就是大致来说，LED 的发光效率每年增加 30%，成本每年下降 20%。指数增长虽然不是人类能直观想象的，但却拥有令人敬畏的、改天换地的力量。如果这种增长继续下去，到了 2030 年，LED 灯泡完全取代传统光源后，这将节省 40% 的社会用电、减少两亿吨二氧化碳的排放。然而，即使前景广阔，现在我们 LED 照明仅占全部照明产业的 40% 左右 [12,13]。其中，中国照明产业占据了半壁江山，中国 LED 照明产业只占据了 25% 的份额 [12,14, 15]。因此，无论全球的 LED 照明产业，还是中国的 LED 照明都将在未来十年二十年有巨大的增长潜力。总的来说，我们可以看到，未来已来，只是尚未流行。
既然你们已经看到了 LED 领域里的机会，那么要想释放出来我们的增长潜力，我们需要你们的关注，也本该如此。首先要在价格上完全打败传统照明，人们需要继续推进 LED 芯片的降本增效。对于个人来说，人生最美好的事情莫过于骑在一股指数增长的力量上，然后做时间的朋友。这需要专注心思来促成这股力量，减少消耗。总的来说，无论是我们，还是你们，都要多发光，少发热。
参考文献
- 李鹏飞，邓江年，《LED 照明产业现状与发展前景》，广东经济出版社，2015。
- Nakamura, S., Background story of the invention of efficient blue InGaN light emitting diodes (Nobel Lecture). Annalen der Physik, 2015. 527(5-6): p. 335-349.
- Sze, S.M., Semiconductor devices: physics and technology/ S.M. Sze. 2nd ed. ed. 2002, New York: Wiley.
- H. J. Round (2023.9.22). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/H._J._Round
- Oleg Losev (2023.9.22). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Oleg_Losev
- Nick Holonyak (2023.9.22). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Nick_Holonyak
- Johnstone, Bob. "Brilliant!: Shuji Nakamura And the Revolution in Lighting Technology.", Prometheus Books (2007).
- 科锐白光功率型 LED 实验室光效突破 300 lm/W 屏障。http://www.china-led.net/news/201403/27/26024.html
- 万维钢，精英日课（第五季），"工业的秘密：怎样创造巨额财富？"。
- 2023 年全球及中国 LED 照明行业现状及发展趋势，新兴细分应用场景催生差异化需求，有望进一步打开市场潜力。
- Haitz's law (2023.9.22). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Haitz%27s_law
- 2023 年全球 LED 照明行业发展现状及趋势中国已成为全球最大的 LED 照明产地。
- Lighting Market By Lighting Type & Application | Report [2030]. https://www.fortunebusinessinsights.com/industry-reports/lighting-market-101542
- Lamps & Lighting - China | Statista Market Forecast. https://www.statista.com/outlook/cmo/furniture/lamps-lighting/china
- 2022 年中国照明行业销售额约为 6390 亿元，同比下降 6%。