半导体照明技术：第五章 半导体发光材料体系

1、 第五章 半导体发光材料体系 5.0 半导体发光材料的条件 成为半导体发光材料的条件成为半导体发光材料的条件： 高质量的单晶材料高质量的单晶材料。要求缺陷密度低，以III-V族材 料为主 半导体带隙与可见和紫外光子能量相匹配半导体带隙与可见和紫外光子能量相匹配 直接带隙半导体直接带隙半导体。具有较高的辐射复合概率 可形成可形成N、P型材料，可制备异质结构和量子阱结型材料，可制备异质结构和量子阱结 构构。 )( 5 .1239 )( eVhv nm 5.1 砷化镓 lGaAs为闪纤矿结构，直接带 隙半导体，带隙宽度1.42eV l缺陷主要是位错和化学计量比 偏离造成的缺陷。镓空位对发 光效率的影

2、响很大，氧和铜是 重要的有害杂质。 l液相外延时，高温下Si占据Ga 形成施主，低温下Si占据As形 成受主，发光峰值为940nm。 阴极射线致发光（Schubert, 1995） GaAs中的线位错（X W Liu,1999） 5.2 磷化镓 GaP是闪纤矿结构，典型的间接带隙半导体，通过掺入不同 的等电子陷阱发光中心，可发红、绿等颜色的光，成为20 世纪90年代前发光效率最高的可见光材料 影响材料质量主要是位错和化学计量比偏离造成的缺陷，主 要是镓空位。 VI族元素硫、硒、碲为常用的N型掺杂剂；II族的锌、镉、 镁是常用的P型掺杂剂 绿色LED：N取代P作为等电子陷阱。N俘获激子，产生复

3、合。液相外延生长，效率为0.7% 黄色LED: 气相外延法生长时，可形成高浓度的氮掺杂，发 光向长波长移动，峰值波长为590nm。 红色LED：掺入ZnO对等电子陷阱，激子复合发光峰值在 700nm,发光效率可达15%。 5.2 磷化镓 5.3 磷砷化镓 GaAs1-xPx是由GaAs和GaP组成的固溶体。在室 温下，x0.45时，间接 跃迁，效率大幅度下降。 GaAs0.6P0.4峰值波长650nm Nick Holonyak, Jr. (born November 3, 1928, in Zeigler, Illinois) invented the first practically u

4、seful visible LED in 1962 while working as a consulting scientist at a General Electric Company laboratory in Syracuse, New York and has been called the father of the light-emitting diode. 5.3 磷砷化镓 LED external quantum efficiency ( ): * internal quantum efficiency * light extraction efficiency ext e

5、xtractionext int secondper LED into injected electrons of# secondper region active from emitted photons of# int secondper region active from emitted photos of# secondper space free into emitted photons of# extraction GaAs1-xPx的外量子效率随x增加而减小，辐 射波长随x变短，相对视见函数增加，使亮 度增大，最佳值为x=0.4，峰值波长 650660nm 5.3 磷砷化镓 在

6、GaAs衬底上生 长GaAs0.6P0.4， 晶格失配为1.5%， 须要生长组分渐 变的过渡层。 引进等电子陷阱杂质氮，并采用GaP作为衬底，可 使GaAs1-xPx（x0.45）材料发光效率大为提高 Craford等人开发GaAs0.35P0.65：N/GaP峰值波长 630nm红光LED， GaAs0.15P0.85：N/GaP峰值波长 580nm黄光LED GaAsP材料的方法主要是气相外延 5.4 镓铝砷 Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs的固溶体。在x=0.35时 由直接跃迁变成间接跃迁。 GaAs和AlAs的晶格常数很接近，固溶体的晶格 失配的问题很小 最佳发光效率在6406

7、60nm之间，相应的 x=0.340.4，内量子效率在50%左右。 双异质结结构N-Ga0.35Al0.65As/P-Ga0.65Al0.35As/P- Ga0.35Al0.65As,外量子效率达到16%，发光强度 5cd。 镓铝砷体系可用液相外延法大批量生产。生成氧 化钝化层可以减少Al的氧化，提高器件寿命。 5.5 铝镓铟磷 间接带隙材料AlP和GaP和直接带隙的InP组成合金 时能产生直接带隙的四元AlGaInP单晶。 (AlxGa1-x)yIn1-yP的y约为0.5时晶格常数与GaAs相匹 配，一般固定y=0.5，采用GaAs作为衬底。 直接带隙到间接带隙的转变出现在x约为0.65时，

8、 增加x，可使其发光从红扩展到绿 AlGaInP材料采用MOCVD系统生长 AlGaInP系材料是目 前高亮度红光 (625 nm), 橙光(610 nm) 和 黄光 (590 nm)LED产 品的主要体系 5.6 铟镓氮 InGaN为直接带隙材料，带隙 从1.95(636.6nm)3.4 （365nm）eV。 AlGaInN的带隙扩大到6.2eV， GaN化合物是目前短波长LED 最成功的材料体系。 白光LED：InGaN蓝光芯片涂 覆YAG黄色荧光粉产生白光。 III族氮化物能在很高的位错密度下仍能有高的内量子效率。 由于同质衬底的获取成本较高，一般使用异质衬底。广泛 使用的蓝宝石衬底晶格

9、失配为16%，须要引入缓冲层技术以 获得高质量的外延层 5.6 铟镓氮 衬底衬底 晶格晶格 失配失配 （%） 热应力热应力 失配失配 （%） 优点优点缺点缺点 GaN00同质外延，晶体质量最高同质外延，晶体质量最高 尺寸难以扩大，成本非常尺寸难以扩大，成本非常 高，背景载流子浓度较高高，背景载流子浓度较高 蓝宝石蓝宝石16-34 熔点高，化学性能稳定，晶体质量熔点高，化学性能稳定，晶体质量 高，成本相对较低高，成本相对较低 失配较大，缺陷较高，热失配较大，缺陷较高，热 导系数低，导系数低，6以上衬底难以上衬底难 以获得以获得 6H-SiC3.525 高导热特性，缺陷密度略低于蓝宝高导热特性，缺陷密度略低于蓝宝 石石 衬底成本较高衬底成本较高 Si-16.954 硅材料晶体质量高，成本低硅材料晶体质量高，成本低, 良好的良好的 导电，导热性，尺寸大，硅加工工导电，导热性，尺寸大，硅加工工 艺技术成熟，有可能与硅器件集成艺技术成熟，有可能与硅器件集成 失配非常大，高的位错密失配非常大，高的位错密 度，晶体质量差度，晶体质量差 AlN2.425 结构上与结构上与GaN相似，失配最小，热相似，失配最小，热 导率高，绝缘性能好，生长高质量导率高，绝缘性能好，生长高质量 AlGaN薄膜薄膜