半导体照明技术

1、 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 第五章第五章 半导体发光材料体系半导体发光材料体系 半导体发光材料是发光器件的基础，如果没有砷化镓、磷半导体发光材料是发光器件的基础，如果没有砷化镓、磷 化镓、磷砷化镓等材料的研究进展，发光器件也绝不可能会化镓、磷砷化镓等材料的研究进展，发光器件也绝不可能会 取得今天这样大的发展，今后器件性能的提高也很大程度取取得今天这样大的发展，今后器件性能的提高也很大程度取 决于材料的进展。决于材料的进展。 成为半导体发光材料的条件：成为半导体发光材料的条件： 1 1、半导体带隙宽度与可见和紫外光子能量相匹配。、半导体带隙宽度与可见和紫外光子能量相匹配。 2 2

2、、只有直接带隙半导体才有较高的辐射复合概率。、只有直接带隙半导体才有较高的辐射复合概率。 3 3、还要求有好的晶体完整性、可以用合金方法调节带隙、有、还要求有好的晶体完整性、可以用合金方法调节带隙、有 可用的可用的p p型和型和n n型材料，以及可以制备能带形状预先设计的异型材料，以及可以制备能带形状预先设计的异 质结构和量子阱结构。质结构和量子阱结构。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 一、砷化镓（一、砷化镓（GaAs） 1、砷化镓是黑灰色固体，是典型的、砷化镓是黑灰色固体，是典型的直接跃迁型材料直接跃迁型材料，其光子，其光子 能量为能量为1.4eV左右左右，发射的，发射的波长在波长

3、在900nm左右左右，属于近红外区。，属于近红外区。 它是许多发光器件的基础材料，外延生长用的衬底材料。它是许多发光器件的基础材料，外延生长用的衬底材料。 2、砷化镓、砷化镓属闪锌矿结构属闪锌矿结构，是极性共价键结合，离子性占，是极性共价键结合，离子性占0.31。 砷化镓的自然砷化镓的自然解理面是（解理面是（110）。 矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂，并且矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂，并且 能裂出光滑平面的性质称为能裂出光滑平面的性质称为解理解理，这些平面称为，这些平面称为解理面解理面。 3、砷化镓中的、砷化镓中的缺陷缺陷主要是主要是位错和化学计量比偏离造成的缺陷

4、位错和化学计量比偏离造成的缺陷。 (如：空位、填隙原子、代位原子，空位特别是镓空位对发光如：空位、填隙原子、代位原子，空位特别是镓空位对发光 效率影响很大效率影响很大) 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 4 4、铜是砷化镓中最有害的杂质铜是砷化镓中最有害的杂质，它能参与砷化镓晶体中所有，它能参与砷化镓晶体中所有 的结构缺陷和杂质的相互作用，造成大量的有害能级。铜还是的结构缺陷和杂质的相互作用，造成大量的有害能级。铜还是 一种快扩散杂质，会造成器件性能劣化。一种快扩散杂质，会造成器件性能劣化。 5 5、GaAsGaAs中的中的SiSi占据占据GaGa或或AsAs位位后形成后形成施主或受主

5、施主或受主，因此是，因此是两性两性 杂质杂质。从。从GaGa溶液中液相外延生产溶液中液相外延生产GaAsGaAs时，在时，在高温下掺高温下掺SiSi形成形成施施 主主，在，在低温下掺低温下掺SiSi形成受主形成受主，在，在940nm940nm处出现发光峰。处出现发光峰。 6 6、砷化镓发光二极管采用、砷化镓发光二极管采用普通封装普通封装结构时结构时发光效率为发光效率为4%4%，采，采 用用半球形结构半球形结构时发光效率可达时发光效率可达20%20%以上以上。它们被大量。它们被大量应用于遥应用于遥 控器和光电耦合器件控器和光电耦合器件。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 二、磷化镓二、磷

6、化镓(GaP) 1、磷化镓是、磷化镓是橙红色透明晶体橙红色透明晶体，是典型的，是典型的间接跃迁型材料间接跃迁型材料。通过。通过 掺入不同的等电子陷阱中心，可以直接掺入不同的等电子陷阱中心，可以直接发射红、绿等颜色发射红、绿等颜色的光。的光。 2、磷化镓属闪锌矿结构，化学键结构中存在的离子性为、磷化镓属闪锌矿结构，化学键结构中存在的离子性为0.374， 解理面为解理面为(110)。 3、磷化镓的、磷化镓的缺陷缺陷，除，除位错位错外，外，化学计量比偏离化学计量比偏离造成的缺陷较为造成的缺陷较为 严重。其中主要是镓空位，它的浓度增加时器件效率降低，特别严重。其中主要是镓空位，它的浓度增加时器件效率降

7、低，特别 是影响是影响绿光器件绿光器件的效率。的效率。 4、氧是磷化镓中的一种主要杂质，氧是磷化镓中的一种主要杂质，孤立的氧在导带下方孤立的氧在导带下方0.8ev处处 引入一个施主能级。氧还能与镓空位、杂质硅等相互作用形成复引入一个施主能级。氧还能与镓空位、杂质硅等相互作用形成复 合体，使发光效率下降。合体，使发光效率下降。另一有害杂质是铜另一有害杂质是铜。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 三、磷砷化镓三、磷砷化镓 1、磷砷化镓是目前应用较为广泛的显示用发光材料。、磷砷化镓是目前应用较为广泛的显示用发光材料。GaAs1-xPx是是 闪锌矿结构，它是由直接跃迁型的砷化镓与间接跃迁型的磷

8、化镓组闪锌矿结构，它是由直接跃迁型的砷化镓与间接跃迁型的磷化镓组 成的成的固溶体固溶体。 注：注：固溶体固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂的晶体类型。是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂的晶体类型。 在室温下，在室温下，x0.45时为直接跃迁型，时为直接跃迁型，x=0.4时，发红光，峰值时，发红光，峰值 波长波长650nm，发光效率较高。，发光效率较高。 当当x0.45时，变为间接跃迁，效率大幅度下降。但掺入杂质时，变为间接跃迁，效率大幅度下降。但掺入杂质N 后，如同磷化镓，发光效率大大提高。后，如同磷化镓，发光效率大大提高。 5、掺入杂质掺入杂质N后，发光效率大大提高后，发光效率

9、大大提高。 6、磷化镓的液相外延材料可制造、磷化镓的液相外延材料可制造红色、黄绿色、绿色红色、黄绿色、绿色的发光二的发光二 极管，汽相外延加扩散生长的材料，可制造黄色、黄绿色的发极管，汽相外延加扩散生长的材料，可制造黄色、黄绿色的发 光二极管。光二极管。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 2 2、GaAsGaAs0.6 0.6P P0.40.4/GaAs /GaAs 此材料是生长在此材料是生长在(100)(100)砷化镓衬底上的。根据实验结果，砷化镓衬底上的。根据实验结果， 发光波长与组成发光波长与组成x x间符合关系式：间符合关系式： x23. 143. 110 24. 1 3 综合

10、考虑外量子效率与综合考虑外量子效率与x x的关系和人眼是视觉灵敏度，的关系和人眼是视觉灵敏度， 存在一个最佳的组成存在一个最佳的组成x x值值x=0.4x=0.4，得到最高的发光亮度，波长，得到最高的发光亮度，波长 为为650-660nm650-660nm。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 四、镓铝砷四、镓铝砷 1、Ga1-xAlxAs是是GaAs和和AlAs的的固溶体固溶体。当。当x=0.35时由直接时由直接 跃迁变成间接跃迁。跃迁变成间接跃迁。 2、镓铝砷的一个、镓铝砷的一个突出优点是突出优点是GaAs与与AlAs的晶格常数十分接的晶格常数十分接 近，晶格失配问题很小近，晶格失配

11、问题很小，故在砷化镓衬底上直接生长外延层时，故在砷化镓衬底上直接生长外延层时， 不需要向磷砷化镓那样需要很厚的过渡层，就能获得很高晶体不需要向磷砷化镓那样需要很厚的过渡层，就能获得很高晶体 质量的质量的Ga1-xAlxAs外延层。外延层。 3、镓铝砷体系的优点是可用廉价的液相外延方法进行大批量、镓铝砷体系的优点是可用廉价的液相外延方法进行大批量 生产。但这种技术生产。但这种技术不能保证充分消除氧玷污不能保证充分消除氧玷污，另一个严重问题，另一个严重问题 是是材料容易退化材料容易退化，解决方案之一是生成一层稳定的氧化物钝化，解决方案之一是生成一层稳定的氧化物钝化 层。层。 半半 导导 体体 照照

12、 明明 技技 术术 五、铝镓铟磷五、铝镓铟磷 1 1、(Al(Alx xGaGa1-x 1-x) )y yIn In1-y 1-yP P， ，y y约为约为0.50.5时，其晶格常数几乎完美地与时，其晶格常数几乎完美地与 GaAsGaAs匹配。在匹配。在GaAsGaAs上生长的高质量上生长的高质量(Al(Alx xGaGa1-x 1-x) )0.50.5In In0.5 0.5P P薄膜是半 薄膜是半 导体照明中重要的异质结构材料。导体照明中重要的异质结构材料。 2 2、直接带隙到间接带隙的转变出现在、直接带隙到间接带隙的转变出现在x=0.65x=0.65，对应于带隙能，对应于带隙能 量量2.

13、3eV2.3eV，因此能得到，因此能得到656nm656nm到到540nm540nm范围内的光发射。用它制范围内的光发射。用它制 成的发光二极管得到了可见光中最高的发光效率，在成的发光二极管得到了可见光中最高的发光效率，在614nm614nm达达 到到108lm/W108lm/W。 3 3、通常，、通常，n n型掺杂可用型掺杂可用TeTe或或SiSi作为施主作为施主而实现，而实现，p p型掺杂型掺杂的典的典 型型受主是受主是ZnZn和和MgMg。 4 4、生长这种四元化合物的成熟技术是金属有机物化学气相淀、生长这种四元化合物的成熟技术是金属有机物化学气相淀 积积(MOCVD)(MOCVD)。

14、半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 六、铟镓氮六、铟镓氮 1 1、铟镓氮是、铟镓氮是直接跃迁结构直接跃迁结构，带隙宽度的整个范围为，带隙宽度的整个范围为 1.95(636.6nm)-3.4(365nm)eV1.95(636.6nm)-3.4(365nm)eV，覆盖了整个可见光谱。，覆盖了整个可见光谱。 2 2、铝镓铟氮的带隙宽度更宽，在、铝镓铟氮的带隙宽度更宽，在1.95-6.2eV1.95-6.2eV之间，因此，之间，因此，GaNGaN 及有关化合物半导体及有关化合物半导体(AlGaN(AlGaN、InGaNInGaN等等) )是认为在短波长是认为在短波长LEDLED方方 面最有前途的

15、材料。面最有前途的材料。 3 3、AlGaInNAlGaInN材料体系的二元、三元和四元化合物在整个摩尔比材料体系的二元、三元和四元化合物在整个摩尔比 范围内都有直接带隙，非常适合做成高效的发光二极管。范围内都有直接带隙，非常适合做成高效的发光二极管。 AlGaInNAlGaInN材料的主要生产技术是材料的主要生产技术是MOCVDMOCVD。 4 4、AlGaInNAlGaInN中典型的中典型的n n型杂质是型杂质是SiSi，最适合的，最适合的p p型杂质为型杂质为MgMg。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 第六章第六章 半导体照明光源的发展和特性参量半导体照明光源的发展和特性参量

16、在在19991999年照明界提出了开发年照明界提出了开发2121世纪新光源的宏伟目标，世纪新光源的宏伟目标，主主 要目标是：要目标是： 1 1、研究高效、节能、新颖光源。、研究高效、节能、新颖光源。 2 2、研究照明工业新概念、新材料，防止使用有害于环境的材料。、研究照明工业新概念、新材料，防止使用有害于环境的材料。 3 3、设计模拟自然光的理想白色光源，显色指数接近、设计模拟自然光的理想白色光源，显色指数接近100100。 实现这一目标的意义：实现这一目标的意义： 1 1、减少全球照明用电量的、减少全球照明用电量的50%50%，全球节电每年达，全球节电每年达10001000亿美元亿美元，相，

17、相 应的照明灯具应的照明灯具10001000亿美元亿美元。 2 2、免去超过、免去超过125GW125GW的发电容量，节省开支的发电容量，节省开支500500亿美元亿美元。 3 3、减少二氧化碳、二氧化硫等、减少二氧化碳、二氧化硫等污染废气污染废气3.53.5万亿吨。万亿吨。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 一、发光二极管的发展一、发光二极管的发展 1962年通用电气年通用电气 Holonyak博士研博士研 制出磷砷化镓。制出磷砷化镓。 1968年年 Monsanto和和HP 公司生产红色发光二极公司生产红色发光二极 管管GaAs0.6P0.4/GaAs。 20世纪 世纪70年代绿色

18、、橙红年代绿色、橙红 色、黄色色、黄色LED面市。面市。 80年代末日本年代末日本Stanley公司采用公司采用 双异质结构和透明衬底技术使双异质结构和透明衬底技术使 单个单个5mm器件光强超过器件光强超过1cd。 90年代初年代初HP公司和东芝公司和东芝 公司研制成功公司研制成功InGaAlP， 发光效率高、颜色范围宽发光效率高、颜色范围宽 1993年日亚公司的中村年日亚公司的中村 修二研制出了以蓝宝石为修二研制出了以蓝宝石为 衬底的高亮度蓝色、绿色衬底的高亮度蓝色、绿色 和蓝绿色和蓝绿色LED。 2006.6小尺寸管芯小尺寸管芯 已获得已获得131lm/W的的 白光白光LED。 2008.

19、12Cree公公 司司1W功率功率LED达达 161lm/W。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 海兹在总结过去在总结过去3030多年来单个多年来单个LEDLED封装器件输出光通量的封装器件输出光通量的 进展后得到了进展后得到了海兹定律(Haitzlaw）：单个单个LEDLED光通量每光通量每18-2418-24 个月翻一番。个月翻一番。 二、发光二极管材料生长方法二、发光二极管材料生长方法 大多数大多数III-VIII-V族二元化合物半导体都能直接从熔体中生长体族二元化合物半导体都能直接从熔体中生长体 单晶，用这些材料，应用扩散、离子注入等技

20、术以形成单晶，用这些材料，应用扩散、离子注入等技术以形成P-NP-N结，结， 可以制成场效应管和双极型晶体管。也可以制造同质结构的便可以制成场效应管和双极型晶体管。也可以制造同质结构的便 宜的宜的LEDLED，但，但GaAsGaAs和和GaPGaP都是红外光谱区域。发射可见光谱区域都是红外光谱区域。发射可见光谱区域, , 很难用熔体生长单晶制成。因此高亮度很难用熔体生长单晶制成。因此高亮度LEDLED材料只能用外延技术材料只能用外延技术 生长。生长。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 1 1、气相外延法和液相外延法、气相外延法和液相外延法(LPE) (LPE) 气相外延法的缺点是不够灵

21、活，不能生长很薄的外延层气相外延法的缺点是不够灵活，不能生长很薄的外延层 和复杂的结构。液相外延能生长较高质量的和复杂的结构。液相外延能生长较高质量的LEDLED材料，也能生材料，也能生 长异质结，较多地用于长异质结，较多地用于GaPGaP和和GaAlAsGaAlAs材料生长。材料生长。 2 2、分子束外延、分子束外延(MBE)(MBE)和金属有机物化学气相淀积和金属有机物化学气相淀积(MOCVD)(MOCVD) 这两种技术更先进。他们比较灵便，可以方便地制造异这两种技术更先进。他们比较灵便，可以方便地制造异 质结构、量子阱和超晶格结构。而质结构、量子阱和超晶格结构。而MOCVDMOCVD的生

22、长速度比的生长速度比MBEMBE快快 得多，特别适合于生产。得多，特别适合于生产。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 三、高亮度发光二极管芯片结构三、高亮度发光二极管芯片结构 刚开始研制成的高亮度刚开始研制成的高亮度LED，都是在半导体激光器件中已，都是在半导体激光器件中已 成熟采用的双异质结结构，这种结构生长的特点是生长容易，成熟采用的双异质结结构，这种结构生长的特点是生长容易， 提高发光效率的效果明显，它的特制双异质结构形成的势垒将提高发光效率的效果明显，它的特制双异质结构形成的势垒将 注入的载流子限制在复合区内，大大提高了发光复合效率。但注入的载流子限制在复合区内，大大提高了发光

23、复合效率。但 为了提高发光效率，又对芯片结构进行了许多新的改进，具体为了提高发光效率，又对芯片结构进行了许多新的改进，具体 有以下几种改进结构：有以下几种改进结构： 1、单量子阱结构；、单量子阱结构； 2、多量子阱结构；、多量子阱结构； 3、分布布拉格反射结构；、分布布拉格反射结构； 4、透明衬底技术；、透明衬底技术； 5、镜面衬底；、镜面衬底； 6、透明胶质黏结型；、透明胶质黏结型； 7、表面纹理结构。、表面纹理结构。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 1 1、单量子阱结构、单量子阱结构 这种结构是对双异质结构的改进，将原来双异质结结这种结构是对双异质结构的改进，将原来双异质结结 构

24、中的有源层厚度从构中的有源层厚度从0.1-1um0.1-1um减到减到nmnm数量级，原来有源层掺杂数量级，原来有源层掺杂, , 现改为未掺杂。用这种结构已制成的绿色现改为未掺杂。用这种结构已制成的绿色LEDLED法向光强达到法向光强达到 12cd12cd，比双异质结的高，比双异质结的高3 3倍多。倍多。 2 2、多量子阱结构、多量子阱结构 采用采用InIn0.22 0.22Ga Ga0.78 0.78N/In N/In0.06 0.06Ga Ga0.94 0.94N N的薄层交替结构，曾制作阱宽 的薄层交替结构，曾制作阱宽 和势垒宽相同而分别为和势垒宽相同而分别为10nm10nm和和3nm3

25、nm的两种结构，周期数为的两种结构，周期数为2020。这。这 种结构在种结构在AlGaInP LEDAlGaInP LED中用得比较多。阱宽可以是中用得比较多。阱宽可以是3nm3nm到到10nm10nm不不 等。势垒宽也可以与阱宽不同，而阱数可以从等。势垒宽也可以与阱宽不同，而阱数可以从3 3增加到增加到4040，明显，明显 提高了效率。提高了效率。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 3、分布布拉格反射结构、分布布拉格反射结构 采用分布布拉格反射结构可以将射向衬底的那部分光由采用分布布拉格反射结构可以将射向衬底的那部分光由 分布布拉格发射镜发射出来，大大减少衬底吸收。分布布拉格发射镜发

26、射出来，大大减少衬底吸收。 4 4、透明衬底技术、透明衬底技术 在在AlGaInPAlGaInP外延片面上最后用气相外延方法再生长一层外延片面上最后用气相外延方法再生长一层 厚厚5050m m左右左右的透明的的透明的P P型型GaPGaP层。然后将砷化镓衬底腐蚀移层。然后将砷化镓衬底腐蚀移 除，可提高光输出除，可提高光输出2 2倍以上。倍以上。 5 5、镜面衬底、镜面衬底 利用芯片融合技术以形成镜面衬底。这种方法后来用利用芯片融合技术以形成镜面衬底。这种方法后来用 到到InGaNInGaN倒装芯片上非常有效，硅取代了导热的蓝宝石衬底，倒装芯片上非常有效，硅取代了导热的蓝宝石衬底， 再加上金属反

27、射效果，适合于功率再加上金属反射效果，适合于功率LEDLED制造。制造。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 6 6、透明胶质黏结型、透明胶质黏结型 利用旋涂式玻璃将利用旋涂式玻璃将AlGaInPAlGaInP外延片与透明衬底蓝宝石黏结，外延片与透明衬底蓝宝石黏结， 然后再将然后再将GaAsGaAs衬底腐蚀移除，并在其上形成衬底腐蚀移除，并在其上形成n n型欧姆接触电极，型欧姆接触电极， 同时部分刻蚀至同时部分刻蚀至p p型电路分布层而形成另一个型电路分布层而形成另一个p p型欧姆接触电极。型欧姆接触电极。 两个电极位于同一方向，由于蓝宝石透光性能极好，两个电极位于同一方向，由于蓝宝石透

28、光性能极好，LEDLED的发光的发光 效率得以大幅度提升。效率得以大幅度提升。 7、表面纹理结构、表面纹理结构 将芯片窗口层表面腐蚀成能够提高出光效率的纹理结构，将芯片窗口层表面腐蚀成能够提高出光效率的纹理结构， 其基本单元为具有斜面的三角形结构，可大大减少全反射，增其基本单元为具有斜面的三角形结构，可大大减少全反射，增 加光输出。加光输出。加上分布布拉格发射结构，其效率可达到常规器件加上分布布拉格发射结构，其效率可达到常规器件 的的2倍。此方法工艺简单，效果明显，值得大力推广。倍。此方法工艺简单，效果明显，值得大力推广。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 四、照明用四、照明用LED的

29、特征参数和要求的特征参数和要求 1、光通量、光通量(lm) 光通量是根据人眼对光的感觉来评价光源在单位时间内光光通量是根据人眼对光的感觉来评价光源在单位时间内光 辐射能量的大小，是表明光源发光能力的基本量。辐射能量的大小，是表明光源发光能力的基本量。 2、发光效率（、发光效率（lm/W） 从节能角度看，发光效率是一个衡量电光源质量高低的最重要从节能角度看，发光效率是一个衡量电光源质量高低的最重要 参量。参量。白光白光LED的发光效率目标是到的发光效率目标是到2020年达到年达到200lm/W， 2002年只有年只有25lm/W30lm/W，而到，而到2008年已达到年已达到100lm/W。 半

30、半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 3、显色指数、显色指数(Ra) 光源发射的光对被照射物颜色正确反映的量称为光源发射的光对被照射物颜色正确反映的量称为显色指数显色指数。 不同的环境对照明光源的显色指数不同的环境对照明光源的显色指数Ra有不同的要求。有不同的要求。在传在传 统光源中，发光效率和显色性始终是个矛盾，统光源中，发光效率和显色性始终是个矛盾，显色性好的光源显色性好的光源 发光效率极低，且长期无进展；而发光效率高的传统光源又往发光效率极低，且长期无进展；而发光效率高的传统光源又往 往显色性很差。往显色性很差。 LED光源的优点是既可将发光效率提高，又可同时提高显光源的优点是既可将发

31、光效率提高，又可同时提高显 色性。色性。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 4、色温、色温 色温的特性可以用色坐标（色温的特性可以用色坐标（X、Y）来量化，根据）来量化，根据X、Y值值 可以得出色温或相关色温。如混合可以得出色温或相关色温。如混合485nm(蓝光蓝光)和和583nm (橙橙 黄光黄光)，可得到色温大约为，可得到色温大约为4000K的白色光。对于三色白光源的白色光。对于三色白光源 来说，可以调节三色的成分来控制光源的色温。目前通过调来说，可以调节三色的成分来控制光源的色温。目前通过调 节节LED或荧光粉的波长和带宽以及相应成分可以得到从低到或荧光粉的波长和带宽以及相应成分可以得到从低到 高色温区的所用白光。所以对于半导