1、光電子材料按其功能，一般可分為以下7類：

(l)發(fā)光(包括激光)材料;

(2)光電顯示材料;

(3)光存儲材料;

(4)光電探測器材料;

(5)光學(xué)功能材料;

(6)光電轉(zhuǎn)換材料;

(7)光電集成材料。

其中，發(fā)展重點(diǎn)將主要集中在激光材料、紅外探測器材料、液晶顯示材料、高亮度發(fā)光二極管材料、光纖材料等.。

2.激光晶體材料

1960年T.H.Maiman研制成功了世界上第一臺紅寶石(Cr3+:Al2O3)脈沖激光器。隨后，人們對激光晶體材料進(jìn)行了廣泛的研究，研究的主要目的是收集有關(guān)激光晶體的光譜和受激發(fā)射特性，確定究竟哪些類型的激光晶體能提高激光效率。為此，大量合成了一些有科學(xué)和應(yīng)用價值的有序化合物和無序化合物晶體以作為激光基質(zhì)，然后再摻入激活離子。

當(dāng)前激光晶體材料向著大尺寸、高功率、LD泵浦、寬帶可調(diào)諧以及新波長、多功能應(yīng)用方向發(fā)展。激光晶體中以Nd:YAG最成熟，應(yīng)用最廣，產(chǎn)量最大。

2.1 Nd:YAG及Yb:YAG晶體材料

得到廣泛應(yīng)用的釔鋁石榴石(YAG)是一種綜合性能(包括：光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué))優(yōu)良的激光基質(zhì)。Nd:YAG稱為摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:Y3Al5O12，Nd:YAG)，是于1965年前后從數(shù)百種激光新晶體中優(yōu)選出來的。20世紀(jì)70年代在國際上完成了Nd:YAG晶體生長條件的研究，80年代研制成功的較大尺寸的Nd:YAG晶體走向工業(yè)生產(chǎn)，90年代采用自動化晶體生長設(shè)備，批量生產(chǎn)出Ф70mm~Ф100mm大尺寸Nd:YAG晶體，使得采用單棒和多棒串聯(lián)組合體系的千瓦級Nd:YAG激光器得到了發(fā)展。

因?yàn)镹d:YAG具有較高的熱導(dǎo)率和抗光傷閾值，同時3價釹離子取代YAG中的釔離子無須電荷補(bǔ)償而提高激光輸出效率，使它成為用量最多、最成熟的激光材料。此外，為了尋找新的激光波長，對YAG基質(zhì)進(jìn)行了Er，Ho，Tm，Cr等的單獨(dú)或組合摻雜，獲得了數(shù)種波長的激光振蕩。

Nd:YAG是理想的四能級激光器。引上法制備的Nd:YAG因單晶激光棒的增益高、機(jī)械性能好而得到廣泛應(yīng)用。Nd3+的離子半徑為0.104nm，Y3+的離子半徑為0.092nm，因?yàn)榭臻g位置效應(yīng)，YAG晶體中Y3+不易被Nd3+所取代，故Nd3+在釔鋁石榴石中的分凝系數(shù)比較小，約為0.15~0.20。Nd3+濃度的集中使該區(qū)域形成化學(xué)應(yīng)力，導(dǎo)致中心區(qū)域的折射率高于周圍區(qū)域的，成分的差異也引起相應(yīng)熱膨脹系數(shù)的差異。此外，用提拉法生長單晶周期長(約幾周)，晶體的生長方式限制了晶體的生長尺寸，也限制其潛在的輸出功率。

長期以來，人們一直在尋求替代材料，如：含釹玻璃或微晶玻璃等，但其性能均不及Nd: YAG單晶材料。自上世紀(jì)60年代，人們發(fā)現(xiàn)某些致密透明多晶材料(陶瓷)在某些性能上與同材質(zhì)單晶材料相近，甚至可以取代單晶材料。由于陶瓷制備技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服單晶材料的一些缺點(diǎn)，使產(chǎn)品不僅具有尺寸大，生產(chǎn)效率高，成本低的特點(diǎn)，而且摻釹量可遠(yuǎn)高于單晶體的，使其激光輸出功率大。用新工藝制造出的陶瓷激光介質(zhì)，因其散射損耗小和高效的激光振蕩而引起廣泛關(guān)注。因此，Nd:YAG陶瓷有望取代單晶材料而成為大型高功率固體激光器的工作物質(zhì)。

在1965年貝爾實(shí)驗(yàn)室首次獲得了Yb:YAG激光，但由于閃光燈泵浦條件下Yb:YAG晶體的高閾值和低轉(zhuǎn)換效率，并未引起人們的重視。1971年采用GaAs:Si發(fā)光二極管為泵浦源，在77K溫度下獲得了Yb:YAG在1029nm的脈沖激光輸出，峰值功率達(dá)0.7W，表明此類晶體的激光性能主要取決于泵浦條件。80年代末至90年代，隨著InGaAs激光二極管性能的發(fā)展和成本的降低，開始尋求適于激光二極管泵浦條件下的激光晶體，而摻Y(jié)b3+激光材料由于具有以下特點(diǎn)而受到了廣泛的重視。

(1) Yb3+離子的電子構(gòu)型為4，僅有兩個電子態(tài)，即基態(tài)2F7/2和激發(fā)態(tài)2F5/2，在配位場作用下產(chǎn)生Stark分裂后，形成準(zhǔn)三或準(zhǔn)四能級的激光運(yùn)行機(jī)構(gòu)。

(2)Yb3+離子吸收帶在900~1000nm波長范圍，能與InGaAs半導(dǎo)體泵浦源(870~1100 nm)有效耦合，且吸收帶較寬，對半導(dǎo)體器件溫度控制的要求有所降低。

(3)泵浦波長與激光輸出波長接近，量子效率高達(dá)90%。

(4)由于量子缺陷較低(8.6%)，材料的熱負(fù)荷較低(11%)，僅為摻Nd3+同種基質(zhì)材料的1/3。

(5)不存在激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換，光轉(zhuǎn)換效率高。

(6)在相對較高的摻雜濃度下也不會出現(xiàn)濃度猝滅。

(7)熒光壽命長，在同種激光材料中為Nd3+離子的三倍多，能有效儲存能量。

目前已獲得千瓦級連續(xù)激光輸出的是Yb:YAG晶體，其YAG基質(zhì)具有優(yōu)良的光學(xué)、熱力學(xué)、機(jī)械加工性能和化學(xué)穩(wěn)定性，特別適合于作為激光二極管泵浦條件下的高功率激光輸出，在激光切割、鉆孔以及軍用領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。

2.2 金綠寶石激光材料

金綠寶石(Cr3+: BeAl2O4)是一種新型基質(zhì)固態(tài)激光材料，用閃光燈泵浦在室溫下能發(fā)射701~818納米的整個波長范圍的激光。這個區(qū)間增益是由于電子躍遷到電子震動帶而產(chǎn)生的。另外，人工金綠寶石激光在R線(680.4納米)的發(fā)射截面約為紅寶石(R線6943納米)的十倍， Nd :YAG(1064納米)的三分之一。在人工金綠寶石中，泵浦發(fā)射激光過程的閃光燈的輻射是在中心位于420和590納米的帶上被吸收。在這個波長區(qū)域的激發(fā)態(tài)吸收相當(dāng)于激光躍遷上能級中的離子吸收。隨著激發(fā)態(tài)吸收，離子無輻射地衰減到激光躍遷的上能級。因此激發(fā)態(tài)的吸收導(dǎo)致泵浦光轉(zhuǎn)化為熱能的直接損耗。

金綠寶石晶體的光學(xué)性能和機(jī)械性能都類似于紅寶石，而且還具備作為優(yōu)良的激光基質(zhì)的許多物理的化學(xué)的特性和機(jī)械性能，如硬度，強(qiáng)度，化學(xué)穩(wěn)定性以及高的熱導(dǎo)率(為紅寶石2至3倍和YAG的2倍)等，從而使金綠寶石激光棒在高功率泵浦下不產(chǎn)生熱損傷。在大多數(shù)條件下最大功率可達(dá)千瓦級。一支激光棒每厘米長度可承受的最大功率為0.6~1.3千瓦。金綠寶石激光晶體應(yīng)用于激光器中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因而有著廣泛的應(yīng)用前景，將會有更大的發(fā)展。

2.3 祖母綠晶體材料

最近幾年，隨著高功率LD的迅速發(fā)展，探索適合LD泵浦的新型激光晶體和重新評價原有激光晶體成為目前激光領(lǐng)域的重點(diǎn)研究內(nèi)容之一。祖母綠(Cr3+:Be3Al2Si6O18)晶體是繼金綠寶石(Cr3+:BeA12O4)晶體之后發(fā)現(xiàn)的又一種具有寬帶輻射的優(yōu)秀可調(diào)諧激光材料，其良好的理化性能、較高的光轉(zhuǎn)換效率與量子產(chǎn)率以及其近紅外激光經(jīng)過倍頻可獲得目前較實(shí)用的紫外激光輸出等優(yōu)點(diǎn)，使其在眾多含Cr3+激光晶體中具有較大的吸引力。目前，隨著祖母綠晶體新的生長技術(shù)研究成功，獲得光學(xué)級的祖母綠晶體已經(jīng)成為可能，而高功率LD陣列技術(shù)的發(fā)展、也必將進(jìn)一步推動祖母綠晶體激光器的發(fā)展。

2.4 其它晶體材料

近些年來，可調(diào)諧激光晶體是探索新型激光晶體的一個熱點(diǎn)，1982年發(fā)現(xiàn)了鈦寶石(Ti3+:Al2O3)寬帶可調(diào)諧激光晶體，此種晶體調(diào)諧波長范圍寬，導(dǎo)熱性能好，室溫下可實(shí)現(xiàn)大能量、高功率脈沖和連續(xù)寬帶可調(diào)諧激光輸出，在軍工、工業(yè)和科技等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，從而將可調(diào)諧激光晶體的研究推向高潮，隨后發(fā)現(xiàn)了一系列新的可調(diào)諧激光晶體，諸如：Cr3+:BeAl2O4、Cr3+:Mg2SiO4、LiCaAlF6等晶體。20世紀(jì)80年代后期，作為泵浦源的激光二級管(LD)晶體，諸如：GaAlAs、InGaAs、AlGalnP等半導(dǎo)體激光晶體的飛速發(fā)展，LD泵浦晶體激光器具有高功率、高質(zhì)量、長壽命、小型化以及導(dǎo)致激光器實(shí)現(xiàn)全固化等優(yōu)越性，掀起了對探索新型LD泵浦的高效率小型化激光晶體的熱潮，在此研究領(lǐng)域中，摻Nd3+激光晶體的研究，仍然是最活躍和最重要的一項(xiàng)研究課題，當(dāng)前性能較好的LD泵浦的摻Nd3+的激光晶體。

另外，為了適應(yīng)激光器多種應(yīng)用，近年來還開展了多波長激光晶體，如Nd:KGa(WO4)2等晶體;新波段激光晶體，如Er:YAP、Ho:YAG等晶體;自激活激光晶體，如NAB與NdP5O14等晶體，以及自倍頻激光晶體(NYAB)，Cr: Nd:GdCaO(BO3)3和上轉(zhuǎn)換激光晶體(Ba2ErCl7)等等的研究，均取得了一些成果。

3.紅外探測器材料

紅外技術(shù)是在40年前開始應(yīng)用到防御系統(tǒng)上的。紅外光電探測器過去所用的材料主要是鉛鹽。到1970年，諸如InSb和HgCdTe之類的半導(dǎo)體開始在紅外技術(shù)中占居主導(dǎo)地位，成了制作光導(dǎo)器件的主要材料。這些材料以整體形式生長，它們主要用于制作單個探測器元件。在七十年代，發(fā)展了新的生長技術(shù)，即液相外延(LPE)，該技術(shù)成了制作鑲嵌式列陣中的光伏探測器的基礎(chǔ)。八十年代初期，美國圣巴巴拉研究中心(SBRC)首先發(fā)展了同質(zhì)結(jié)，以后為了獲得聲望又發(fā)展了異質(zhì)結(jié)，這些都是光伏器件的主要體系結(jié)構(gòu)。到八十年代中期，隨著焦點(diǎn)向第二代光電探測器列陣(光伏型)轉(zhuǎn)移，材料、材料結(jié)構(gòu)、材料生長技術(shù)以及探測器體系結(jié)構(gòu)開始發(fā)生重大變化。

這些變化包括諸如分子束外延(MBE)和金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOCVD)之類的新的生長技術(shù)、諸如量子阱光導(dǎo)體之類的先進(jìn)的材料結(jié)構(gòu)、諸如用于非致冷探測的多色集成光電探測器和微熱輻射計(jì)之類的新的器件結(jié)構(gòu)以及先進(jìn)的探測器和材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段。用于在1~20μm紅外光譜區(qū)進(jìn)行紅外探測的材料和材料混合體種類很多。表1列出了這些材料以及它們的光譜范圍。

大約在10年前出現(xiàn)的最早的新材料是HgZnTe(HZT)。這是由Arden Sher等人首先提出的。同HgCdTe相比，HZT材料的結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固，但它卻具有與HgCdTe非常相似的電學(xué)和光學(xué)特性。在八十年代中期，美國圣巴巴拉研究中心根據(jù)Spicer-Sher-Chen的HgCdTe合金的鍵穩(wěn)定性模型，用液相外延長成了HZT。由于材料學(xué)方面的一些問題，HZT最適合用水平液相外延從相位圖的Te角處進(jìn)行生長，這樣便不會具有最佳的HgCdTe器件中所用的從Hg角處生長的垂直液相外延層的撓性。這個生長難題一直限制著HgZnTe在紅外焦平面技術(shù)方面的應(yīng)用。

到九十年代，出現(xiàn)了一組新的適用于紅外但基于Ⅲ-V族材料的合金半導(dǎo)體。美國圣巴巴拉研究中心的Sher小組首次預(yù)告了InTlP材料。這些材料是用非平衡生長技術(shù):分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積以及金屬有機(jī)分子束外延生長的。它們被用于制作集成焦平面列陣，例如，在這種集成焦平面列陣中，可以將InTlP探測器列陣直接生長在包含讀出和多路傳輸器功能的InP襯底上。

目前HgCdTe依然占居著紅外探測器材料的主導(dǎo)地位。由于HgCdTe體晶生長受到組分分凝、Hg壓難于控制等客觀條件的限制，使體晶材料在單晶面積、組分均勻性和結(jié)晶完整性等方面已不能滿足紅外焦平面探測器件發(fā)展的需要，而HgCdTe外延(LPE、MBE、MOVPE等)因其生長溫度低，克服了體晶熔體生長的缺點(diǎn)，并能直接獲得適合器件的結(jié)構(gòu)(如原生雙色、pn結(jié)、表面鈍化等)。因此，外延技術(shù)已成為HgCdTe晶體研究的方向。

CdZnTe是一種由CdTe和ZnTe組成的膺二元化合物半導(dǎo)體材料，熔點(diǎn)因Zn含量不同，在1092~1295℃變化。由于生長溫度高、熱導(dǎo)率低、離子性強(qiáng)、堆垛層錯能低、機(jī)械強(qiáng)度小等不利于晶體生長的因素，因此，要生長符合襯底要求且重復(fù)性好、成品率高的CdZnTe晶體是十分困難的。但由于其在軍事和民用領(lǐng)域的重要應(yīng)用價值，一些西方發(fā)達(dá)國家二十多年來從未間斷過對CdZnTe晶體的研究，晶體性能不斷提高，并在一系列大面陣紅外探測器、x/γ射線探測器、光電調(diào)制器、高效太陽能電池等領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用。

大面積高均勻性HgCdTe外延薄膜及大尺寸CdZnTe襯底材料仍是2010年前紅外探測器所用的主要材料。

4. 液晶材料

顯示用液晶材料是由多種小分子有機(jī)化合物組成的，這些小分子的主要結(jié)構(gòu)特征是棒狀分子結(jié)構(gòu)。現(xiàn)已發(fā)展成很多種類，例如各種聯(lián)苯腈、酯類、環(huán)己基(聯(lián))苯類、含氧雜環(huán)苯類、嘧啶環(huán)類、二苯乙炔類、乙基橋鍵類和烯端基類以及各種含氟苯環(huán)類等。近幾年還研究開發(fā)出多氟或全氟芳環(huán)以及全氟端基液晶化合物。隨著LCD的迅速發(fā)展，人們對開發(fā)和研究液晶材料的興趣越來越大。

4.1 TN-LCD用液晶材料

TN型液晶材料的發(fā)展起源于1968年，當(dāng)時美國公布了動態(tài)散射液晶顯示(DSM-LCD)技術(shù)。但由于提供的液晶材料的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，使它們作為顯示材料的使用受到極大的限制。1971年扭曲向列相液晶顯示器(TN-LCD)問世后，介電各向異性為正的TN型液晶材料便很快開發(fā)出來;特別是1974年相對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的聯(lián)苯睛系列液晶材料由G.W.Gray等合成出來后，滿足了當(dāng)時電子手表、計(jì)算器和儀表顯示屏等 LCD器件的性能要求，從而真正形成了TN-LCD產(chǎn)業(yè)時代。

LCD用的TN液晶材料已發(fā)展了很多種類。這些液晶化合物的結(jié)構(gòu)都很穩(wěn)定，向列相溫度范圍較寬，相對粘度較低。不僅可以滿足混合液晶的高清亮點(diǎn)、低粘度在20~30mPa·S(20℃)及△n≈0.15的要求，而且能保證體系具有良好的低溫性能。含聯(lián)苯環(huán)類液晶化合物的△n值較大，是改善液晶陡度的有效成分。嘧啶類化合物的K33/K11值較小，只有0.60左右，在TN-LCD和STN-LCD液晶材料配方中，經(jīng)常用它們來調(diào)節(jié)溫度序數(shù)和△n值。而二氧六環(huán)類液晶化合物是調(diào)節(jié)“多路驅(qū)動”性能的必需成分。

4.2 STN-LCD用液晶材料

自1984年發(fā)明了超扭曲向列相液晶顯示器(STN-LCD)以來，由于它的顯示容量擴(kuò)大，電光特性曲線變陡，對比度提高，要求所使用的向列相液晶材料電光性能更好，到80年代末就形成了STN- LCD產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品主要應(yīng)用在BP機(jī)、移動電話和筆記本電腦、便攜式微機(jī)終端上。

STN-LCD用混晶材料一般具有下述性能：低粘度;大K33/K11值;△n和Vth(閾值電壓)可調(diào);清亮點(diǎn)高于工作溫度上限30℃以上?；炀Р牧系恼{(diào)制往往采用“四瓶體系”。這種調(diào)制方法能夠獨(dú)立地改變閾值電壓和雙折射，而不會明顯地改變液晶的其他特性。

STN-LCD用液晶化合物主要有二苯乙炔類、乙基橋鍵類和鏈烯基類液晶化合物。二苯乙炔類化合物：把STN-LCD的響應(yīng)速度從300ms提高到120~130ms，使STN-LCD性能得到大幅度的改善，從而在當(dāng)今的STN-LCD中使用較多，現(xiàn)行STN-LCD用液晶材料中約有70%的配方中含有二苯乙炔類化合物。乙基橋鍵類液晶：與相應(yīng)的其他類液晶比較，這類液晶的粘度、△n值都比較低;相應(yīng)化合物的相變溫度范圍和熔點(diǎn)相對較低，是調(diào)節(jié)低溫TN和STN混合液晶材料低溫性能的重要組分。鏈烯基類液晶：由于STN-LCD要求具有陡閾值特性，為此，只有增加液晶材料的彈性常數(shù)比值K33/K11才能達(dá)到目的。烯端基類液晶化合物具有異常大的彈性常數(shù)比值K33/K11，用于STN-LCD中，得到非常滿意的結(jié)果。

近年來，STN顯示器在對比度、視角與響應(yīng)時間上都有顯著的進(jìn)步。由于TFT-LCD的沖擊，STN-LCD逐漸在筆記本電腦和液晶電視等領(lǐng)域失去了市場。鑒于成本的因素，TFT-LCD將不可能完全代替STN-LCD原有的在移動通訊和游戲機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

4.3 TFT-LCD用液晶材料

隨著薄膜晶體管TFT陣列驅(qū)動液晶顯示(TFT LCD)技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來TFT LCD不僅占據(jù)了便攜式筆記本電腦等高檔顯示器市場，而且隨著制造工藝的完善和成本的降低，目前已向臺式顯示器發(fā)起挑戰(zhàn)。由于采用薄膜晶體管陣列直接驅(qū)動液晶分子，消除了交叉失真效應(yīng)，因而顯示信息容量大;配合使用低粘度的液晶材料，響應(yīng)速度極大提高，能夠滿足視頻圖像顯示的需要。因此，TFT LCD較之TN型、STN型液晶顯示有了質(zhì)的飛躍，成為21世紀(jì)最有發(fā)展前途的顯示技術(shù)之一。

與TN、STN的材料相比，TFT對材料性能要求更高、更嚴(yán)格。要求混合液晶具有良好的光、熱、化學(xué)穩(wěn)定性，高的電荷保持率和高的電阻率。還要求混合液晶具有低粘度、高穩(wěn)定性、適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)各相異性和閾值電壓。TFT LCD用液晶材料的特點(diǎn)：

TFT LCD同樣利用TN型電光效應(yīng)原理，但是TFT LCD用液晶材料與傳統(tǒng)液晶材料有所不同。除了要求具備良好的物化穩(wěn)定性、較寬的工作溫度范圍之外，TFT LCD用液晶材料還須具備以下特性：

(1)低粘度，20℃時粘度應(yīng)小于35mPa·s，以滿足快速響應(yīng)的需要;

(2)高電壓保持率(V.H.R)，這意味液晶材料必須具備較高的電阻率，一般要求至少大于1012Ω·cm;

(3)較低的閾值電壓(Vth)，以達(dá)到低電壓驅(qū)動，降低功耗的目的;

(4)與TFT LCD相匹配的光學(xué)各向異性(△n)，以消除彩虹效應(yīng)，獲得較大的對比度和廣角視野?！鱪值范圍應(yīng)在0.07~0.11之間。

在TN、STN液晶顯示中廣泛使用端基為氰基的液晶材料，如含氰基的聯(lián)苯類、苯基環(huán)己烷類液晶，盡管其具有較高的△ε以及良好的電光性能，但是研究表明，含端氰基的化合物易于引人離子性雜質(zhì)，電壓保持率低;其粘度與具有相同分子結(jié)構(gòu)的含氟液晶相比仍較高，這些不利因素限制了該類化合物在TFT LCD中的應(yīng)用。酯類液晶具有合成方法簡單、種類繁多的特點(diǎn)，而且相變區(qū)間較寬，但其較高的粘度導(dǎo)致在TFT LCD配方中用量大為減少。因此，開發(fā)滿足以上要求的新型液晶化合物成為液晶化學(xué)研究工作的重點(diǎn)。

目前，在液晶顯示材料中，TN-LCD已逐步邁入衰退期，市場需求逐漸萎縮，而且生產(chǎn)能力過剩，價格競爭激烈，己不具備投資價值。而STN-LCD將逐漸進(jìn)入成熟期，市場需求穩(wěn)步上升，生產(chǎn)技術(shù)完全成熟。而TFT-LCD在全球范圍內(nèi)正進(jìn)入新一輪快速增長期，市場需求急劇增長，有望成為21世紀(jì)最有發(fā)展前途的顯示材料之一。

5.高亮度發(fā)光二極管材料

發(fā)光二極管(LED)是采用電阻率較低的P型和n型半導(dǎo)體材料，通過摻雜，達(dá)到較高寬度的能隙，從而達(dá)到有效的光輻射通路，獲得可見光輻射的效果，供人類應(yīng)用。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，絕大多數(shù)半導(dǎo)體材料所具有的是間接能隙，因此不適合做LED材料。而硅和鍺等典型的半導(dǎo)體材料雖然很容易制成二極管，但其發(fā)光效率極低，但只能發(fā)射紅外線。在自然環(huán)境中，金剛石是唯一具有較寬能隙的材料，并能發(fā)射可見光，但這種材料制作難度大，而且價格過于昂貴，因此也不是理想的材料。人類在不斷實(shí)踐、改進(jìn)、探索過程中，找到AlGaAs材料、AlGaInP材料、InGaN材料等一元素、三元素、四元素材料。同時不斷改進(jìn)襯底材料和封裝材料，使得在從紅色到紫外的整個光譜范圍內(nèi)都可以找到合適的LED材料。

發(fā)光二極管(LED)問世于20世紀(jì)60年代，1964年Ⅲ-V族發(fā)光材料GaAsP開發(fā)成功，出現(xiàn)了紅色LED，峰值波長約為650nm。雖然，驅(qū)動電流為20mA時，單個LED發(fā)出的光通量只有千分之幾流明，相應(yīng)的發(fā)光效率只有0 .1 lm/W，但是全固體光源開始被人們接受，主要用于指示燈領(lǐng)域。

70年代，材料研究更加活躍，是LED發(fā)展史上的第一個高潮。GaAsP/ GaAs的質(zhì)量有所提高，并且利用汽相外延(VPE)和液態(tài)外延法(LPE)制作外延材料，如 GaPZnO紅色LED和GaPN綠色LED，不僅使光效提高到1 lm/W，而且發(fā)光顏色覆蓋了從黃綠色到紅外的光譜范圍(565~940nm)，應(yīng)用也開始進(jìn)入顯示領(lǐng)域。

80年代之后，應(yīng)用層面逐漸展開，封裝技術(shù)逐步提高，周邊支持條件也相對形成，促使LED技術(shù)得到突破。例如，用LPE技術(shù)制作GaAlAs外延層，制作高亮度紅色LED和紅外二極管(ILED)，波長分別為660、880和940nm。隨著金屬有機(jī)化學(xué)汽相外延法(MOVPE)的開發(fā)，產(chǎn)生了780nm半導(dǎo)體激光二極管;用新芯片材料AlInGaP制成的紅色、黃色LED光效可達(dá)10lm/W，若采用透明襯底，光效可超過20lm/W。而1994年通過MOVPE研制的第三代半導(dǎo)體材料GaN使藍(lán)、綠色LED光效達(dá)到10lm/W，實(shí)現(xiàn)了LED的全色化。

發(fā)光二極管材料在90年代有了突破性進(jìn)展。90年代初，Toshiba公司和Hewlett Packark公司開發(fā)了InGaAlP材料，該材料具有高發(fā)光功效，可覆蓋從黃綠光到紅光整個光譜范圍。90年代中期，Nichia公司和Toyoda Gosei公司研發(fā)出具有高發(fā)光功效的發(fā)藍(lán)和純綠光的InGaN LEDs，有史以來第一次生產(chǎn)出能滿足戶內(nèi)和戶外各種應(yīng)用的高亮度全色LED。

通常，人們把光強(qiáng)為1 cd作為一般LED和高亮度LED的分界點(diǎn)。目前，制作高亮度LED的材料主要為AlGaAs、AlGaInP和GaInN。AlGaAs適用于高亮度紅光和紅外LED，用LPE制造;與GaAs襯底晶格匹配的四元直接帶隙材料AlGaInP的發(fā)光二極管量子效率高，發(fā)光波長范圍覆蓋了從紅光到黃綠光，因此高亮度紅、橙、黃光光源常常采用AlGaInP材料來生長器件。高亮度發(fā)光管在交通指示燈、全彩色戶外顯示及自動顯示等方面得到了廣泛的應(yīng)用。GaInN適用于高亮度深綠、藍(lán)、紫及紫外LED，用高溫MOVPE制造。

自1995年以來，高亮度發(fā)光二極管(LED)的市場每年以58.4%的平均增長速率增長，2000年其銷售額已達(dá)12億美元。如此快的增長速度是由于高亮度LED的性能在不斷提高，發(fā)光范圍擴(kuò)展到覆蓋整個可見光譜區(qū)，使得新的應(yīng)用不斷擴(kuò)大的結(jié)果，這正是以前傳統(tǒng)低亮度比LED不能達(dá)到的效果。

高亮度LED的性能通常是由制作它們所用的材料和組裝燈的性能而決定的，所使用的材料一般為AlGaAs、InGaAlP和InGaN。特別在藍(lán)光InGaN LED中再摻入一種光材料，能獲得發(fā)白光的LED。利用這三種材料中的任意一種制作的標(biāo)準(zhǔn)5mm燈，其發(fā)光強(qiáng)度至少有幾百毫坎。目前用這三種材料制作的最好的燈，極易實(shí)現(xiàn)10cd的發(fā)光強(qiáng)度。預(yù)計(jì)高亮度LED的發(fā)光效率應(yīng)大于5 lm/W。

自從GaAsP LED開始，連續(xù)不斷的科研成果使LED的發(fā)光效率(lm/W)提高的速度達(dá)到每10年提高10倍，30年竟提高了1000多倍，導(dǎo)致今日的LED比之通用光源白熾燈甚至鹵素?zé)艟哂懈叩男省?/p>

用于制造高性能LED的材料、器件和相應(yīng)的技術(shù)示于表2。AlGaInP LED是1991年由美國HP公司的Craford等人和日本東芝公司研制成功，并于1994年采用低壓金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(LP-MOCVD)技術(shù)改進(jìn)成功，通常采用GaAs作襯底。其后Craford等人又開發(fā)了GaP透明襯底技術(shù)，將紅色和黃色雙異質(zhì)結(jié)材料制成LED，其發(fā)光效率提高到20lm/W，這就使LED的發(fā)光效率超過了白熾燈的15lm/W，后又提高到40~50lm/W，最近再加上多量子阱結(jié)構(gòu)，紅光達(dá)到73.7lm/W。而在近兩年來采用截頭錐體倒裝結(jié)構(gòu)技術(shù)，紅、黃光LED可分別達(dá)到102lm/W和68lm/W，外量子效率提高了5~7倍。用此材料制成的綠光(525nm)LED，也達(dá)到了18lm/W。臺灣的UEC公司最近研制成用透明膠質(zhì)粘接藍(lán)寶石晶片到外延片正面，再移除GaAs襯底的方法，制成了GB黃色I(xiàn)nGaAlP LED，發(fā)光效率達(dá)到40lm/W。目前已推廣到紅色LED，效果也很好。

高性能的InGaN LED于1993年由日本Nichia Chemical公司的Nakamura博士研制成功。他在用InGaN材料設(shè)計(jì)研制雙異質(zhì)結(jié)紫外光激光器時，一通電竟然跳出來一個燦爛奪目的超高亮度藍(lán)光(450nm)LED，光強(qiáng)達(dá)到1~2cd，采用的方法是雙氣流(TF)MOCVD，在器件工藝中采用了氮?dú)夥障聼嵬嘶鹬谱鱅nGaNP型層的新工藝。不久日亞推出了以藍(lán)色LED芯片上覆蓋以釔鋁石榴石為主體的熒光粉制成的白色發(fā)光二極管。它是由藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生黃綠光并與藍(lán)光合成的白光，由于熒光光譜較寬，幾乎覆蓋了整個可見光譜范圍，所以合成的白光的顯色指數(shù)可達(dá)到80~85，亮度目前已達(dá)到6.5cd，發(fā)光效率也達(dá)到了25 lm/W。

超高亮度發(fā)光二極管性能水平列于表3。表中DH為雙異質(zhì)結(jié)，TS為透明襯底，MQW為多量子阱，TIP為截頭倒裝堆體，SQW為單量子阱。表中“外量子效率”一欄中未給出數(shù)據(jù)的是指20mA下的外量子效率。