在預測下一個十年我們最有前景的光源將帶領到哪裡的同時，Fred Schubert和Jong Kyu Kim領導我們走過百年之發光二極體的旅程。

Fred Schubert, Jong Kyu Kim

　英國的無線通訊工程師Henry Joseph Round完全是在無意中發現發光二極體的元件。當在研究金屬半導體整流器碳化矽(SiC)的電子特性時，其中碳化矽元件提供了對於目前較昂貴之兩極真空管的另一種非常大有可為的選擇，在此研究的過程中，Round見證了第一道從有電流注入的固態半導體材料中射出的光線。於西元1907年，Round在一眾所注目的兩章節短篇發表中報告了此有趣的現象(圖一)，此報告詳細描述了從帶有一不對稱之電流通道的兩個電極的結構中發射出來的黃光。如今，這元件被稱為二極體，這也是Round的這篇報導成為對於發光二極體之空前的第一篇報導。

　從現在來觀之，我們見證到此發現之科學上與商業上的重要意義，但是至此之後，這電致發光的現象被遺忘了許多年。然而，在西元1923年此現象又被一位20歲的天才科學家Oleg Vlad-imirovich Lossev所重新發現，此科學家提出第一篇關於電致發光元件的相片(如色塊「LED的進展The evolution of the LED」, Lossev, 1923)。SiC是一種金屬半導體的材料。

　Lossev完成對於此二極體之電流與電壓特性之詳細的量測，實現了順向與反向偏壓都可以使產生射線的實驗(圖二)。如今，此現象可以很容易的被解釋，因為我們了解離子的撞擊與少數載子注入都可以產生光。然而，Lossev缺乏對這方面的了解，且被冷光之起源所困擾著。他想知道此光線是否因為發熱而產生(白熱光)，所以他將液態苯滴於發光試體的表面並量測其蒸發速率來驗證此光線是否因為發熱而產生的推測。然而，液態苯蒸發速率相當緩慢，這結果使他推測此發光的現象並非因為物體受熱而發光。

　把握著如此的知識，之後，Lossev假設此光線由類似於冷電子放電的過程所產生，他也呈現了此光線是可以被迅速的打開或是關閉，此現象可以讓元件應用於光延遲－一種我們現在稱為光通訊光源的元件。

　Lossev是第一位對於半導體電致發光有很詳細深入研究的科學家。為認可他的成就，在西元1938年，他被Ioffe Institute頒於候選人學位(degree of Candidate)，此學位相當於一博士的學位。

　第一個對於從p-n接面(p-n junction)產生的光線之現代且正確的解釋是在西元1951年，由Kurt Lehovec和他在美國紐澤西Signal Corps Engineering Laboratories的同事所提出。他們聲稱此電致發光的現象是在順向偏壓的情況下，由少數載子注入跨越一p-n junction的邊界所產生的。(圖三)

各公司群聚至發光二極體的發展
　從那時候開始，發光二極體開始呈現蓬勃的發展，在元件的特性上帶有非凡的進步，一直延續到今天。這些的發展從將原本的SiC替換成三五族的半導體元件始有新的開始。主要的里程碑包含單晶砷化鎵(GaAs)的展示(Welker, 1952)，此GaAs提供了許多元件之理想的基版。這平台被使用來當作GaAs發光二極體與注入雷射的初始發展，此發展是由在Schenectady通用電子(GE, General Electric)，在Yorktown Heights的IBM，和位於Lexington的Lincoln Laboratories所領先。這些都位於美國的東北部，並和後來位於Murray Hill非常著名的貝爾實驗室(Bell Telephone Laboratories)和位於Princeton的RCA實驗室(RCA Laboratories)以一場發光二極體發展的賽跑競爭著。

　第一個以三五族材料所發展出之可見的發光二極體是在西元1955年由Signal Corps Engineering Laboratories的Wolff和他的同事所開發出來的。此發光二極體為發出橘色的磷化鎵(GaP)元件，此元件所發出之光線是透過在金屬半導體之接合面的載子離子化撞擊所產生的光線。然而，因為缺乏一p-n junction介面，表示其發光太沒有效率以致於不太適合商業化。

　發光二極體的進展在1960與1970年代接著有發射出紅光、黃光、橘光甚至有綠光的材料出現，這些材料也都是屬於三五族的材料，如砷化鎵磷(GaPAs)，氮參雜的磷化鎵(nitrogen-doped GaP)，氮參雜的砷化鎵磷(nitrogen-doped GaPAs)和鋅與氧參雜的磷化鎵(zinc and oxygen-doped GaP)。這些以三五族為材料的發光二極體其發光效率遠比Wolff的金屬半導體結構要好的許多，但比起現今高亮度，高瓦數的應用上，如以砷化鋁鎵(AlGaAs)和磷化鋁銦鎵AlGaInP為材料的發光二極體，其效能還是落後。
發展與精進這些發光元件需要很大的努力，但比起藍光的發光二極體，這些發光元件還是比較容易切入與突破的。藍光的發光二極體發展開始於西元1960年代晚期，發展單位為RCA，之後在西元1969年由Paul Maruska而有重大的突破，其材料為一單晶的氮化鎵(GaN)薄膜。然而，這些薄膜並非全部都是n-odoped而是有附帶一些p-doped，如此做只是為了產生絕緣的材料。這缺乏p-doped的材料將會使這研發團體去製造一個金屬絕緣半導體的發光二極體(metal-insulator-semiconductor diode )，但這樣的元件毫無疑問是很沒有效率的，所以這個計畫在西元1970年代早期就已經中止了。

　接下來的十年則是對以GaN為材料之發光二極體研究的貧乏期。然而在西元1989年，日本Nagoya的Isamu Akasaki和他的合作人員發展出第一個p-doped並利用鎂(Magnesium)參雜來傳導的GaN元件，此鎂參雜是由E-beam(electron beam)所產生的。三年後，一發光效率1%的發光二極體接著出現，但這不久就被日亞化學(Nichia)的Shuji Naka-mura所超越。Shuji Naka-mura主管藍光與綠光之氮化鎵銦(GaInN)的雙異質結構發光二極體(double-heterostructure LEDs)，此結構的發光效率比先前的GaN元件高了十倍。更遠程的研究改善延續至今日，其中最新的元件能夠產生數百個毫瓦特(milliwatts)。

　在所有發光二極體的效能增進方面，也已經被有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)所激勵。此方法超越了其他的製程方式，如液態磊晶技術(LPE, Liquid phase epitaxy)，此法無法產生均勻之僅僅數個奈米厚的磊晶。這極好的控制帶領個我們前往西元1970年代的雙層異質結構設計和接下來十年的量子井(quantum-well)結構，此結構提供在元件的發光亮度上較佳的限制與提升。商業化的MOCVD設備發展也有效的使發光二極體的製造商成本降低，這些都歸功於可以被放入同一個磊晶成長過程之晶圓數量上的增加。

　在這些彩色發光二極體之發光效率與輸出功率之驚人的提升，也戲劇性地增加了此發光二極體可以應用的數量與種類。

　然而，目前在單色發光二極體的研究興趣上已經被他們的白光遠親所遮蓋了，此白光的遠親已經開始打開了通往更有利益可獲的市場，如一般的照明設備。一個可以產生白光的方法是利用各種顏色之發光二極體所產生的光線混合產生(如色塊「LED的進展The evolution of the LED」)。然而，產生白光之商業化的主要方法為利用黃色的螢光粉與一產生藍光的發光二極體晶片來產生，此方法使由Nichia所領先，此方法是較簡單與產生高色彩的技術(圖四a)。藍色發光二極體激發了黃色螢光粉，所以白光就在兩者的混合之下產生了。目前晶片製造商主要的戰場為白光發光二極體，在此方面的產值已經有相當意義的精進。在西元2006到2007年，每瓦能產生100到150流明已經被發表。這和發光效率分別為15 lm/W 和70 lm/W的白熱光和緊密的螢光燈管比較起來，白光發光二極體是比較有效率的。

　由原本的白熱光與螢光燈管轉變到擁有較高發光效率之固態半導體的發光光源的優點已經被詳細的記錄，這些優點包含能量與財金方面的節省和汞使用量的減少。這能源的節省是具有重大意義的，甚至可以讓280個主要的電力工廠關閉。發光二極體也開始應用於電視和電腦液晶顯示技術上的背光源。如今，這新式的光源不僅減少能量的損耗，而且能夠產生比以前螢光燈管較寬廣的色域與減少移動的人工修飾。

　到目前為止，我們已經忽略了一個其他的觀點，基礎地分辨固態光源與其他傳統的遠親－好的控制性。努力地的控制和調變一發光二極體所有的性質之科學家與工程師有史無空前的挑戰，此挑戰為建構一可以控制其光譜(spectrum)、極化方向(polarization)、色溫(color temperature)、暫時的調變(temporal modulation)與空間發射樣式(spatial emission pattern)。其中，有些性質相對上是容易被控制的，如光譜，但創新的構想是需要去提升如極化方向之性質的控制性。在要讓發光二極體成為主要且最多功能的光源之路途上能被實現，發光特性的控制將逐漸重要，特別是因為其控制力將可以幫助這技術去區別自己與其他已經存在之競爭者的不同點。依序，提昇功能性上之優點的新層級將開始嶄露頭角。

　擁有如此優點的例子包含線性極化光源的發光二極體，這將會使偏光板從顯示器上移除，如此一來，顯示器丟棄了佔了大部分體積的元件，並且可以產生舊有效率的產品。在此期間，應用於一般照明為變為發光二極體將會允許在室內得到一可以控制燈光亮度與色溫的照明。這能夠精確的模仿一天中室外光線的自然改變。從古至今，人類每天的循環與起床睡眠的節奏是被日光的改變所驅使著，使用可以複製這日光源的發光二極體光源，可以增進對每個人的好處。

　發光二極體也可以於各種運輸的應用，如提供可見之訊號額外的訊息。例如，紅色的發光二極體交通號誌可以傳遞一譯成電碼的訊息去告知一智慧型的車輛停止行進。這技術將會使因為分心或受損傷之駕駛闖紅燈所造成之交通事故減少。

　從Round的意外發現到SiC單晶整流器之預期外產生之光線到現在已經經過了一個世紀。其間，已經見證驚人的進展與能夠營造數十億元市場的發光二極體，但到能夠利用這元件全部的功能，我們還有一段很長的路要走。這旅程尚未結束，事實上，根本還沒開始。CSOT

LED的進展
　發光二極體已經漸漸的發展從一事物的好奇心，到一個每年可以到達數十億美元之商機的產品。第一個拍出電致發光相片的科學家是在西元1924年的Oleg Vladimirovich Lossev(Wireless World and Radio Review 1924 271 93)。在第一次正式將彩色發光二極體應用到指示標誌之前，已經經過了數十年的研究。小心翼翼的混合這些顏色而產生白光。如今，一般的照明設備的市場已經被視為下一個發光二極體的大市場，公司如Color Kinetics就是在生產應用於一般照明方面的產品。

圖一：Henry Joseph Round是一個極具創造力的發明家，生前有超過一百篇以上的專利發表，同時，第一篇針對電致發光的報告也是出自Henry Joseph Round之手，發表西元1907年 Journal Electrical World(1907 19 309)。

圖二：Lossev熱衷於了解發光二極體的運作機制，以致於花許多時間在研究SiC之電壓與電流特性。他著名的地方在於揭露了電致發光的效應是在一順向和反向偏壓下產生的(1928 Philosophical Magazine 6 1024)。