半导体照明及半导体照明材料

2024/1/161第八讲

半导体照明及半导体照明材料2024/1/163一、人类照明的历史2024/1/164火—人类的文明2024/1/165灯—延续历史几千年2024/1/1662024/1/167二、电光源的历史2024/1/1681879年爱迪生创造白炽灯2024/1/169荧光灯将电光源带入新天地2024/1/1610三、半导体发光二极管〔LightEmittingDiode〕2024/1/16112024/1/1612将电能直接转化为光能的一种物理现象.

光-电转换不需经过其他物理过程.如:LED发光属电致发光.电致发光光致发光有大量材料受到紫外线的激发而辐射出可见光,

称为光致发光荧光这个词用来表示材料受到激发后立即发光.荧光灯属光致发光.2024/1/1613什么是发光二极管〔LED〕？发光二极管是由数层很薄的掺杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴〞，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光。2024/1/16142024/1/1615LED发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两局部组成，一局部是P型半导体，空穴占主导地位，另一端是N型半导体，主要是电子。两种半导体连接起来，就形成一个“P-N结〞。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。16LED具有15中以上的光源优点：节能、环保、寿命长、平安、低耗、低热、色光、白光、防震、防水、微型、亮度高、易调光、光束集中、减少维修。LED的优点其主要优点:(1)理论上具有比传统光源更高的发光效率，理论上是可以到达300(lm/W)。实验室：249(lm/W).商用：100(lm/W〕。还有很大的上升空间，从而具有很大的节能潜力。(2)寿命很长目前(30000-50000h),可提高到(100000h)，开关响应速度快，不影响其寿命。(3)可控制带隙大小，从而发出各种波长的光线，而且色纯度很高，非常鲜艳，适于装饰环境，美化生活。2024/1/1618(4)LED是2π发光具有方向性，可以更好的控制光线方向，提高系统的照明效率。(5)光源器件较小，使得布光更为灵活，而且能够更好的实现夜景照明中“只见其光，不见光源〞的效果。2024/1/161920(6)不需要玻璃外壳,抗冲击性好，抗震好，不易破碎，便于装卸运输。(7)能较好的控制发光光谱组成，无红外光，无紫外线，从而能够很好的用于博物馆，展览馆的局部和重点照明，而不损伤展览珍品。(8)光源中无汞，有利环境保护。(9)使用抵押直流驱动，具有负载小，干预少，平安可靠的优点，(10)亮度可调，颜色可变，可制成智能灯具。21照明本钱照明本钱包括四个成分：一、电光源的初始本钱。二、光源所消耗能源的本钱。三、灯光源无法工作时更换光源所需劳动本钱。四、电光更换的频率，由它决定维护本钱和电光源的总本钱。LED方案从2005年得29.4降至2023的6.36、2023年得3.28元。2024/1/1622LED的开展历史1965年世界上的第一只商用化LED诞生，用锗制成，单价45美元，为红光LED，发光效率0.1lm/w。1968年利用半导体掺杂工艺使GaAsP材料的LED的发光效率到达1lm/w,并且能够发出红光、橙光和黄光。1971年出现GaP材料的绿光LED，发光效率也到达1lm/w。2024/1/1623LED的开展历史80年代，重大技术突破，开发出AlGaAs材料的LED，发光效率到达10lm/w。1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，发光效率到达40—50lm/w。1990年基于SiC材料的蓝光LED出现，发光效率为0.04lm/w。90年代中期出现以蓝宝石为衬底的GaN蓝光LED，到目前仍然为该技术。2024/1/1624四、半导体发光材料体系2024/1/1625半导体材料的分代以硅Si为代表的半导体材料为第一代半导体材料。以砷化镓GaAs为代表的化合物半导体材料为第二代半导体材料。以氮化镓GaN为代表的宽带隙化合物半导体材料为第三代半导体材料。2024/1/1626半导体发光材料是发光器件的根底，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取得今天这样大的开展，今后器件性能的提高也很大程度取决于材料的进展。成为半导体发光材料的条件：1、半导体带隙宽度与可见和紫外光子能量相匹配。2、只有直接带隙半导体才有较高的辐射复合概率。3、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p型和n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。2024/1/1627GaN半导体材料特点宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度〔2.3—6.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围，是到目前为止其它任何半导体材料都无法到达的。高频特性，可以到达300GHz〔硅为10GHz，砷化镓为80GHz〕。2024/1/1628

高温特性，在300℃正常工作〔非常适用于航天、军事和其它高温环境〕耐酸、耐碱、耐腐蚀〔可用于恶劣环境〕高压特性〔耐冲击，可靠性高〕大功率〔对通讯设备是非常渴望的〕GaN半导体材料特点2024/1/1629GaN外延片生产通过MOCVD进行GaN单晶膜外延生长:1)用蓝宝石为衬底材料

2)用高纯氨气提供氮源

3)用金属有机源提供镓、铟、铝源

4)通过金属有机源化学气相沉积的方法进行生长2024/1/1630

方大集团于2001年9月在国内第一个

生产出GaN基LED外延片2024/1/1631方大集团6X2inch

MOCVD设备2024/1/1632GaN基LED芯片生产通过几十道工序，将GaN外延片加工成为LED芯片，标准芯片的尺寸为，一片外延片可以加工10000多颗LED芯片2024/1/1633GaN基蓝绿光LED芯片2024/1/1634GaN基大功率蓝光LED芯片2024/1/1635GaN半导体光电器件应用蓝、绿光LED

全彩色大屏幕交通信号灯背光源、仪器仪表指示灯景观光源2024/1/1636蓝、绿、白光LED2024/1/1637室外大LED全彩色屏幕2024/1/1638LED交通信号灯2024/1/1639城市建筑装饰灯光工程2024/1/1640花旗银行大厦2024/1/1641GaN半导体光电器件应用蓝光激光器〔BLD〕蓝光DVD，双面双密度容量为20G，取代现有红光DVD，是以后数字电视存储的必由之路激光打印和显示，生物医疗仪器和设备，光谱测量系统可用于军事领域，450～550nm的蓝-绿光波段对海水是透光的，所以BLD可通过空间卫星、机载平台直接用来对海底潜艇通信，大大提高潜艇的隐蔽性和保密性。这是军事部门长久渴望实现的技术手段。2024/1/1642中国汉级核潜艇2024/1/1643索尼全球首台蓝光DVD刻录机BDZ-S7

2024/1/1644五、半导体照明的来临2024/1/1645优异的性能白光LED固体冷光源，效率高，绿色环保寿命长，可以到达10万小时〔连续10年〕低电压工作是照明领域的又一次革命2024/1/1646白光LED的构成方式基于蓝光LED，通过荧光粉激发一个黄光，组合成为蓝光通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光2024/1/1647美国国家半导体照明方案从2000年起国家投资5亿美元到2023年55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯取代每年节电达350亿美元2023年形成每年500亿美元的半导体照明产业市场2024/1/1648日本21世纪照明方案投入资金50亿日元到2007年30%的白炽灯被置换为半导体照明灯2024/1/1649欧盟的彩虹方案应用半导体照明实现：高效节能不使用有害环境的材料模拟自然光2024/1/1650韩国“固态照明方案〞2004年-2023年韩国政府方案投入1亿美元，企业提供30%的配套资金，近期开始实施，2023年LED的发光效率到达80lm/W。2024/1/1651中国专家的呼吁我国有近百名专家〔两院院士〕联名向国务院呼吁，以三峡工程的5%费用，支持我国的半导体照明产业，用5-10年的时间的努力，1/3照明应用半导体照明，每年可以节约的电量1000亿度，多于一个三峡水电站的发电量〔800亿度〕国家启动国家半导体照明工程2024/1/1652六、半导体照明开展现状2024/1/1653开展速度超过人们的预测技术进步迅速市场的开展速度领先于技术的开展政府与民间共有热情2024/1/1654中国在此领域的开展有多家公司参与在半导体领域中与国际水平最接近，根本上与国际水平同步开展，有局部领先方大集团在国内处于领先地位，特别是大功芯片2024/1/1655局部领域已经应用潜水灯防爆灯高档汽车的照明灯〔奔驰、宝马、奥迪A8等汽车〕飞机和高档汽车的阅读灯2024/1/16562024/1/1657已经走近我们的生活2024/1/1658已经走近我们的生活〔手电筒〕

2024/1/1659白光LED射灯2024/1/1660可与目前普通灯具互换的LED白光灯2024/1/1662存在的问题价格过高发光效率还不够高性价比低还不到民众普及的时刻半导体照明的寿命实际上还涉及多方面的问题，与10万小时的理论寿命有差距2024/1/1663七