半导体照明技术(第七讲)孟

第五章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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的异质结构和量子阱结构。一、砷化镓（GaAs）1、砷化镓是黑灰色固体，是典型的直接跃迁型材料，其光子能量为1.4eV左右，发射的波长在900nm左右，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。2、砷化镓属闪锌矿结构，是极性共价键结合，离子性占0.31。砷化镓的自然解理面是（110）。矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂，并且能裂出光滑平面的性质称为解理，这些平面称为解理面。3、砷化镓中的缺陷主要是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效率影响很大)4、铜是砷化镓中最有害的杂质，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。铜还是一种快扩散杂质，会造成器件性能劣化。5、GaAs中的Si占据Ga或As位后形成施主或受主，因此是两性杂质。从Ga溶液中液相外延生产GaAs时，在高温下掺Si形成施主，在低温下掺Si形成受主，在940nm处出现发光峰。6、砷化镓发光二极管采用普通封装结构时发光效率为4%，采用半球形结构时发光效率可达20%以上。它们被大量应用于遥控器和光电耦合器件。二、磷化镓(GaP)1、磷化镓是橙红色透明晶体，是典型的间接跃迁型材料。通过掺入不同的等电子陷阱中心，可以直接发射红、绿等颜色的光。2、磷化镓属闪锌矿结构，化学键结构中存在的离子性为0.374，解理面为(110)。3、磷化镓的缺陷，除位错外，化学计量比偏离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，特别是影响绿光器件的效率。4、氧是磷化镓中的一种主要杂质，孤立的氧在导带下方0.8ev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合体，使发光效率下降。另一有害杂质是铜。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。GaAs1-xPx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化镓组成的固溶体。注：固溶体是指溶质原子溶入溶剂溶剂的晶格中而仍保持晶体类型。在室温下，x＜0.45时为直接跃迁型，x=0.4时，发红光，峰值波长650nm，发光效率较高。当x＞0.45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。5、掺入杂质N后，发光效率大大提高。6、磷化镓的液相外延材料可制造红色、黄绿色、绿色的发光二极管，汽相外延加扩散生长的材料，可制造黄色、黄绿色的发光二极管。2、GaAs0.6P0.4/GaAs此材料是生长在(100)砷化镓衬底上的。根据实验结果，发光波长与组成x间符合关系式：综合考虑外量子效率与x的关系和人眼是视觉灵敏度，存在一个最佳的组成x值x=0.4，得到最高的发光亮度，波长为650-660nm。四、镓铝砷1、Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs的固溶体。当x=0.35时由直接跃迁变成间接跃迁。2、镓铝砷的一个突出优点是GaAs与AlAs的晶格常数十分接近，晶格失配问题很小，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，就能获得很高晶体质量的Ga1-xAlxAs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生产。但这种技术不能保证充分消除氧玷污，另一个严重问题是材料容易退化，解决 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之一是生成一层稳定的氧化物钝化层。五、铝镓铟磷1、(AlxGa1-x)yIn1-yP，y约为0.5时，其晶格常数几乎完美地与GaAs匹配。在GaAs上生长的高质量(AlxGa1-x)0.5In0.5P薄膜是半导体照明中重要的异质结构材料。2、直接带隙到间接带隙的转变出现在x=0.65，对应于带隙能量2.3eV，因此能得到656nm到540nm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614nm达到108lm/W。3、通常，n型掺杂可用Te或Si作为施主而实现，p型掺杂的典型受主是Zn和Mg。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积(MOCVD)。六、铟镓氮1、铟镓氮是直接跃迁结构，带隙宽度的整个范围为1.95(636.6nm)-3.4(365nm)eV，覆盖了整个可见光谱。2、铝镓铟氮的带隙宽度更宽，在1.95-6.2eV之间，因此，GaN及有关化合物半导体(AlGaN、InGaN等)是认为在短波长LED方面最有前途的材料。3、AlGaInN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。AlGaInN材料的主要生产技术是MOCVD。4、AlGaInN中典型的n型杂质是Si，最适合的p型杂质为Mg。第六章半导体照明光源的发展和特性参量在1999年照明界提出了开发21世纪新光源的宏伟目标，主要目标是：1、研究高效、节能、新颖光源。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。3、设计模拟自然光的理想白色光源，显色指数接近100。实现这一目标的意义：1、减少全球照明用电量的50%，全球节电每年达1000亿美元，相应的照明灯具1000亿美元。2、免去超过125GW的发电容量，节省开支500亿美元。3、减少二氧化碳、二氧化硫等污染废气3.5万亿吨。一、发光二极管的发展1962年通用电气Holonyak博士研制出磷砷化镓。1968年Monsanto和HP公司生产红色发光二极管GaAs0.6P0.4/GaAs。20世纪70年代绿色、橙红色、黄色LED面市。80年代末日本Stanley公司采用双异质结构和透明衬底技术使单个Φ5mm器件光强超过1cd。90年代初HP公司和东芝公司研制成功InGaAlP，发光效率高、颜色范围宽1993年日亚公司的中村休二研制出了以蓝宝石为衬底的高亮度蓝色、绿色和蓝绿色LED。2006.6小尺寸管芯已获得131lm/W的白光Led。2008.12Cree公司1W功率LED达161lm/W。Haita在总结过去30多年来单个LED封装器件输出光通量的进展后得到了Haita’s定律：单个LED光通量每18-24个月翻一番。二、发光二极管材料生长方法大多数III-V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、离子注入等技术以形成P-N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宜的LED，但GaAs和GaP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LED材料只能用外延技术生长。1、气相外延法和液相外延法(LPE)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LED材料，也能生长异质结，较多地用于GaP和GaAlAs材料生长。2、分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相淀积(MOCVD)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MOCVD的生长速度比MBE快得多，特别适合于生产。三、高亮度发光二极管芯片结构刚开始研制成的高亮度LED，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，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：1、单量子阱结构；2、多量子阱结构；3、分布布拉格反射结构；4、透明衬底技术；5、镜面衬底；6、透明胶质黏结型；7、 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面纹理结构。1、单量子阱结构这种结构是对双异质结构的改进，将原来双异质结结构中的有源层厚度从0.1-1um减到nm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LED法向光强达到12cd，比双异质结的高3倍多。2、多量子阱结构采用In0.22Ga0.78N/In0.06Ga0.94N的薄层交替结构，曾制作阱宽和势垒宽相同而分别为10nm和3nm的两种结构，周期数为20。这种结构在AlGaInPLED中用得比较多。阱宽可以是3nm到10nm不等。势垒宽也可以与阱宽不同，而阱数可以从3增加到40，明显提高了效率。3、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分布布拉格发射镜发射出来，大大减少衬底吸收。4、透明衬底技术在AlGaInP外延片面上最后用气相外延方法再生长一层厚50μm左右的透明的P型GaP层。然后将砷化镓衬底腐蚀移除，可提高光输出2倍以上。5、镜面衬底利用芯片融合技术以形成镜面衬底。这种方法后来用到InGaN倒装芯片上非常有效，硅取代了导热的蓝宝石衬底，再加上金属反射效果，适合于功率LED制造。6、透明胶质黏结型利用旋涂式玻璃将AlGaInP外延片与透明衬底蓝宝石黏结，然后再将GaAs衬底腐蚀移除，并在其上形成n型欧姆接触电极，同时部分刻蚀至p型电路分布层而形成另一个p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，Led的发光效率得以大幅度提升。7、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，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。加上分布布拉格发射结构，其效率可达到常规器件的2倍。此方法工艺简单，效果明显，值得大力推广。四、照明用LED的特征参数和要求1、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（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参量。白光LED的发光效率目标是到2020年达到200lm/W，2002年只有25lm/W—30lm/W，而到2008年已达到100lm/W。3、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。在传统光源中，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。LED光源的优点是既可将发光效率提高，又可同时提高显色性。4、色温色温的特性可以用色坐标（X、Y）来量化，根据X、Y值可以得出色温或相关色温。如混合485nm(蓝光)和583nm(橙黄光)，可得到色温大约为4000K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高色温区的所用白光。所以对于半导体照明光源来说，色温也不是困难。5、寿命寿命有不同方法定义，因光源而异。半导体照明光源现常取光通量流明值下降到初始值的50%或70%的时间来定义。目前，对于一些高光通量的LED来说，寿命为5万—7.5万小时。6、稳定性一般情况下，光源的光通量和色度、色温都要求稳定，但视照明环境要求而定。例如娱乐场所的彩色变化动态照明，其亮度和颜色处于变化之中，对稳定性就没有要求；景观照明的稳定性要求也不高；但对于展览馆和阅览室则要求稳定性较高，否则会影响观察和阅读效果。7、热阻热阻就是器件对散热所产生的阻力，通常将两个节点之间单位热功率输运所产生的温度差定义为两个节点间的热阻。热阻值可用热阻测试仪测得。热阻作为照明的半导体光源功率LED的导热性能，是一个重要特征参量。它不仅与器件和灯具的寿命有关，还直接影响到发光效率。8、抗静电性能铟镓氮类LED特别是蓝宝石为衬底的LED，由于蓝宝石是绝缘体，器件对静电甚为敏感，极易因静电放电而损坏，所以这类器件应注意防静电。器件对静电放电的灵敏度等级分为三类：I类≤100V；II类≤500V；III≤1000V。铟镓氮类LED为I类器件。