半导体照明技术：第九章 铟镓氮发光二极管
半导体照明技术
知识创造未来
半导体照明技术
半导体照明技术是一种利用半导体材料发光的照明技术。
常见的半导体照明技术包括LED（Light Emitting Diode，发光二极管）照明和OLED（Organic Light Emitting Diode，有机发光二极管）照明。
LED照明是目前最常见和广泛应用的半导体照明技术。
LED 是一种能够将电能直接转换为光能的器件，具有高效能、
寿命长、耐震动、环保等优点。
LED照明应用范围广泛，
包括室内和室外照明、汽车照明、背光源等，已经逐渐代
替了传统的白炽灯和荧光灯。
OLED照明是一种新兴的照明技术，其原理是利用有机化合物在电流的激发下发出光线。
OLED具有薄、轻、柔性等特点，可以制成灵活的显示屏和照明设备。
OLED照明还具有自发光、均匀照明、色彩饱满等优点，适用于室内照明、
商业照明、装饰照明等领域。
半导体照明技术具有能源高效、寿命长、环保等优势，正
在逐渐成为未来照明的主流技术。
随着技术的发展和成本
的下降，半导体照明技术受到越来越广泛的应用和推广。
1。
半导体照明技术(第九讲)
白光LED 于1998年开发成功。这种LED是将GaN芯片 和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光
（λp=465nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受
此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基 片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约
此荧光粉便产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原
理将互补的黄光、蓝光予以混合，得到白光。白光LED开发基 础在于蓝光技术，目前在蓝光LED技术方面仍以日亚化学领先， 拥有众多专利权。 第二种是日本住友电工开发出以ZnSe为材料的白光LED， 不过发光效率较差，但由于目前白光LED市场热销，仍呈现供 不应由求现象。
半
导
体
照
明
技
术
第十一章
白光发光二极管
对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。 研制
白光发光二极管是半导体照明的主要目标，替代白炽灯、 荧光灯这些白光光源是半导体照明工程的最终目标。
半 第一节
导
体
照
明
技
术
新世纪光源的研制目标
人们对新世纪光源的要求是高效、高显色性和环保。照明用
白光LED的具体技术要求如下：
1、发光效率：要求最终达到200lm/W以上。 2、显色指数：希望达到100，一般要求也在80以上。 3、色温：2500-6000K之间。 4、寿命：5万-10万小时。
5、光通量：希望达到1Klm以上。
6、环保：要求不使用对人体有害、会污染环境的有害物质，如 汞、铅、镉等。
半
导
体
照
明
技
术
二、白光LED概述
半
导
半导体照明课件--第章-InGaN-发光极管 (一)
半导体照明课件--第章-InGaN-发光极管 (一)半导体照明课件--第章-InGaN-发光极管InGaN-发光极管是一种高效的半导体照明设备，也被称为蓝光发光二极管。
它广泛应用于室内和室外照明、汽车灯光、电视和显示器背景照明等领域。
本文将从以下几个方面对InGaN-发光极管进行介绍。
1. InGaN-发光极管的原理InGaN-发光极管是以InGaN材料为基础的半导体照明设备。
当电流通过InGaN-发光极管时，它会发射出蓝光。
由于InGaN材料的带隙比较宽，所以蓝光光谱的峰值比其他颜色的光要高得多。
为了得到其他颜色的光，可以使用荧光粉在InGaN-发光极管上涂覆一层，这样当蓝光通过荧光粉层时，它会被转换成其他颜色的光。
2. InGaN-发光极管的优点相比传统的白炽灯和荧光灯，InGaN-发光极管具有许多优点。
首先，它具有更长的寿命，可以使用数千个小时而不需要更换。
其次，它的能源效率更高，可以在相同的能源下比其他灯具提供更多的光。
此外，它还可以提供更多的光输出，因为它可以改变发光强度和颜色，适合各种用途。
3. InGaN-发光极管的应用InGaN-发光极管广泛应用于各种照明和显示应用中。
在家庭照明领域，它被用作白炽灯和荧光灯的替代品，可以提供更长的寿命和更高的能源效率。
在商业照明领域，它被用于提高客户体验，例如用于餐厅和商店的背景照明。
在汽车工业中，它被用于汽车的前大灯和尾灯等照明器具。
4. InGaN-发光极管的未来发展随着技术的不断进步和人们对能源效率的需求增加，InGaN-发光极管将有更广泛的应用前景。
随着LED技术不断的变革和提高，InGaN材料的制造技术也在不断发展，使得其价格越来越便宜，未来将衍生出更多的应用领域。
总的来说，InGaN-发光极管是一种极具前景的半导体照明设备，它不仅能够提供更高的能源效率，还可以提供更多的光输出。
随着技术的不断发展，它将为世界带来更多的可能性。
半导体发光二极管工作原理特性及应用
半导体发光二极管工作原理特性及应用半导体发光二极管的工作原理基于半导体材料的光电效应。
它是由具有P-N结构的半导体材料构成，中间形成了一个禁带。
当正向电流通过LED时，P区的电子被输运到N区，而P区的空穴被输运到N区，同时在P-N结的附近形成一个空穴层和电子层的边界。
当电子从N区跃迁到P区时，它们会与空穴发生复合，释放出能量。
这些能量以光子的形式发射出来，形成可见光或红外光。
1.高效能：LED具有高能量转化效率，能够将电能转化为光能的效率接近100%。
2.低功率消耗：LED工作时电流非常小，因此其功率消耗相对较低，是一种低耗能的光源。
3.长寿命：LED的寿命一般可以达到数万到数十万个小时，远远超过传统的光源，如白炽灯和荧光灯。
4.快速开启和关闭时间：LED的开启和关闭时间非常短，可以以毫秒为单位实现闪烁或瞬变的光效。
5.抗震动：由于LED没有灯丝或玻璃外壳等易碎物质，因此具有很高的抗震动性能。
1.照明：随着LED技术的不断发展，LED已经成为一种流行的照明光源。
它可以用于室内照明、室外照明和汽车照明等。
由于其高效能和低功耗，LED照明具有节能环保的特点。
2.显示屏：LED被广泛应用于显示屏中，例如电视、电脑显示器和手机屏幕等。
LED显示屏具有亮度高、色彩鲜艳、对比度好等特点，可以实现高清晰度的图像显示。
3.指示灯和信号灯：由于LED具有快速开启和关闭时间的特点，因此非常适合用于指示灯和信号灯等场合。
它被广泛应用于交通信号灯、车辆灯光和电子设备中的指示灯等。
4.智能电子产品：由于LED的小尺寸和低功耗特点，它被广泛应用于智能电子产品中，如手表、手机、电子手册和计算器等。
5.军事和安全领域：由于LED具有快速开启和关闭时间、高亮度和长寿命等特点，因此在军事和安全领域得到广泛应用。
例如，LED被用于夜视设备、警示灯、激光雷达和激光通信等。
总之，半导体发光二极管是一种具有高效能、低功耗、长寿命和快速开启关闭时间等特点的器件，因此在照明、显示屏、指示灯、智能电子产品和军事安全领域等方面得到了广泛的应用。
半导体照明技术(1~10章)
半导体照明技术
鸟巢景观照明
半导体照明技术
篔筜湖畔的LED照明
半导体照明技术
中山路商业街的LED照明
半导体照明技术
位于湖滨北路的中闽大厦
半导体照明技术
5、测试仪器和生产设备
测试仪器主要有：外延材料方面的X射线双晶衍射仪、荧 光谱仪、卢瑟福背散射沟道谱仪等；芯片、器件测试仪器方 面的 LED光电特性测试仪、光谱分析仪等。
2、LED上游产业 主要是指LED发光材料外延制造和芯片制造。由于外延工艺的
高度发展，器件的主要结构如发光层、限制层、缓冲层、反射层 等均已在外延工序中完成，芯片制造主要是做正、负电极和完成 分割检测。
半导体照明技术
3、LED中游产业 是指LED器件封装产业。根据用于现实、照明、通信等不同场 合，封装出不同颜色、不同形状的品种繁多的LED发光器件。 4、LED下游产业 是指应用LED作为显示或照明器件后形成的产业。主要的应用 产业有LED显示屏、LED交通信号灯、LED航标灯、 LED景观灯 饰、液晶背光源、LED车灯、LED特殊照明等。
大陆地区光电产业快速发展的重要城市 。 厦门生产LED外延片、芯片的企业有四家，即厦门三安光电、
联厦光电、明达光电、乾照光电，芯片总产量约占祖国大陆自产 芯片的25%。封装企业有十几家，下游应用企业有50多家，还有 与之配套的荧光粉、环氧树脂、塑料镜头、蓝宝石外延材料、各 种辅助材料和模具等生产厂，形成了较完整的产业链。
生产设备包括金属有机化合物化学气相淀积仪(Metalorganic Chemical Vapor DePosition ，缩写MOCVD) 、
液相外镀炉、光刻机、划片机、全自动固晶机、金丝球焊机、 硅铝丝超声压焊机、灌胶机、真空烘箱、芯片计数仪、芯片 检测仪、倒膜机、光色点全自动分选机等。
半导体发光二极管
半导体发光二极管
半导体发光二极管（LED）是一种发射光的电子器件，它把电能转换成光能。
它通常由半导体芯片，两个电极和透镜组成。
LED可以发射从红色到绿色和蓝色的多种光。
它具有良好的省电性能、相对稳定的光谱，耐久性好，可以快速响应，反应时间小于1毫秒，发光颜色、亮度和发光强度可调，可用于控制和信号指示等。
它是近20年来发展迅猛的新型发光元件，应用于各种消费电子产品，如汽车、手机、办公设备、家用电器、手表等，在人们的生活中无处不在。
目前，LED发光二极管是最先进的发光元件，它的发光性能相比传统光源有着多面的优势，在各行各业中得到了广泛的应用。
发光二极管主要材料
发光二极管主要材料
发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种半导体器件，它能够将电能转化为光能。
发光二极管主要由哪些材料构成呢？下面我们来一起探讨一下。
首先，发光二极管的主要材料之一是n型半导体材料。
在n型半导体材料中，掺杂了大量的杂质原子，使其电子浓度远远大于空穴浓度。
常见的n型半导体材料有砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）等。
这些材料具有良好的导电性能，能够提供充足的电子参与发光过程。
其次，发光二极管的另一主要材料是p型半导体材料。
与n型半导体相对应，p型半导体材料中的电子浓度远远小于空穴浓度。
p型半导体材料通常是通过向硅（Si）或者锗（Ge）中掺入三价元素（如硼、铟等）而形成的。
这些材料能够提供足够的空穴参与发光过程。
此外，发光二极管还需要一种能够发出光的材料，这就是发光层材料。
常见的发光层材料有氮化镓（GaN）、磷化铝（AlP）等。
这些材料在电子和空穴的复合过程中能够释放出光子，从而实现发光效果。
除了上述材料外，发光二极管还需要一些辅助材料来提高器件的性能。
比如，金属材料用于制作引线和焊接；封装材料用于封装和保护发光二极管芯片等。
总的来说，发光二极管的主要材料包括n型半导体材料、p型半导体材料、发光层材料以及一些辅助材料。
这些材料共同作用，使得发光二极管能够高效地将电能转化为光能，成为现代照明和显示领域不可或缺的重要器件。
发光二极管 工作原理
发光二极管工作原理
发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）是一种能够将
电能转化为光能的半导体器件。
它由一个PN结组成，其中P
型半导体具有电荷载流子为正电荷的空穴，N型半导体具有电荷载流子为负电荷的电子。
发光二极管的工作原理可以分为两个方面：PN结的正向导通
与电子与空穴的复合。
首先，当外加电源的正极连接到P型半导体，负极连接到N
型半导体时，形成了一个正向偏置电压。
在此情况下，P区的
空穴开始向N区扩散，N区的电子开始向P区扩散。
在PN结
区域，空穴与电子相遇并发生复合过程。
其次，当电子与空穴复合时，能量差将被以光子的形式释放出来。
这些光子具有特定的能量与频率，决定了LED发出的光
的颜色。
这个能量差与PN结材料的能带结构有关。
为了控制LED发出的光的颜色，可以通过对LED的材料进行
不同的选择和掺杂。
通常，使用镓镓磷（GaP）材料使得LED 发出红色光，使用氮化镓（GaN）材料使得LED发出蓝色或
绿色光。
发光二极管的工作原理使得它在许多应用中得到了广泛的应用，例如显示屏、照明、信号指示等。
它具有低功耗、长寿命、快速开关速度和高可靠性等优点，被视为一种高效的照明技术替代品。
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9.3.8 硅衬底GaN蓝光LED
9.3.8 硅衬底GaN蓝光LED
Cracks Bowing GaN Si
Ga回融
Journal of Crystal Growth 236 (2002) 77–84
phys. stat. sol. (c) 0, No. 6 (2003)
困难:
• 热应力失配—GaN薄膜龟裂
9.1 GaN生长
• 1969年，美国无线电公司的Maruska用气相外延的 方法在蓝宝石衬底上首次生长出单晶GaN。 • Pankove等人在1971年MIS结构的绿光和蓝光发光 器件。 • Maruska首次采用Mg掺杂以制作P型GaN，得到的 MIS结构是辐射在430nm的紫色LED • 赤崎勇（Akasaki）1989年使用AlN 缓冲层和低能电子辐照技术制造了第一 个PN结GaN基LED。 •1993年，中村修二采用高温退火的 方法获得了P型GaN，并采用自制的 MOCVD获得了高质量的GaN化合物
第九章 铟镓氮发光二极管
MOCVD: Basic
MOCVD: 一种在固体衬底(wafers)上外延生长半导体薄膜的方法. 外延（ epitaxy ）：在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬 底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段
MOCVD: Basic
Material System III-Nitride InP GaAs
9.3.2 InGaN/AlGaN双异质结LED
• InGaN采用Si和Zn共掺杂，增强了蓝色发射。在N2气氛下 700℃热退火以得到较高掺杂的p型GaN和AlGaN层，Au-Ni 接触蒸发在p型GaN层，Ti-Al接触蒸发在n型GaN层。20mA 下峰值波长450nm，外量子效率5.4%。
p电极
9.3.8 硅衬底GaN蓝光LED
插入层技术
• LT-AlN插入层 • 超晶格结构插入 层
Appl. Phys. Lett. 2001, 79: 3230 Materials Science and Engineering B93 (2002) 77/84
Appl. Phys. Lett. 92, 192111 2008
• SixNy中间层 • AlGaN插入层
Current Applied Physics 9 (2009) 472–477
9.4.长最大的挑战是没有适合同质外延的 GaN衬底 • 由于生长过程中须要非常高V族偏压，且GaN的熔点较高， GaN体材料很难获得 • 通过氢化物汽相外延(HVPE)，可在蓝宝石或其它衬底上 生长300-400 μm 厚的GaN 。再通过高功率UV激光器对 蓝宝石上的GaN进行衬底剥离。这种方法可获得最大3’’的 GaN外延片，通过表面化学或机械的抛光，可作为氮化物 外延生长的衬底，其缺陷密度可降低至105 cm-2 • AlN是生长GaN材料理想的衬底材料，它结构上与GaN相 似，与其它衬底相比，AlN和GaN的晶格和热失配最小， AlN热导率高，绝缘性能好。 • 目前，使用升华浓缩（Sublimation–recondensation，SR）的方法获得的最大的AlN面积为470 mm2, 面积小于1 英寸，但成本却非常高，这影响了它的进一步的应用
Substrate
Heteroepitaxy -nucleation layer
>1000℃ >1000 High Separate III-V injection, low ceiling
Bulk InP -direct growth
~500℃ ~100 Low Single injection, flexible reactor size
9.3.7 深紫外 LED
• 2002年， 278 nm的辐射，工作在1A时，强度为3mW。 • 2003年，267 nm的辐射，工作在435 mA时，强度在4.5 mW。
APPLIED PHYSICS LETTERS 81 2002 4910
APPLIED PHYSICS LETTERS 83 2003 4701
• 未掺InGaN：通过改变In的摩尔分数，InGaN带隙 在1.95~3.4eV，可作为蓝光发射和绿光发射的有源 层，制成双异质结。 • 以高的In源流速和高的生长温度（780~850℃）， 可在GaN薄膜上生长高质量的InGaN单晶薄膜。 • InGaN的带隙宽度与In的摩尔分数x符合抛物线规律： Eg（x）=xEgInN+（1-x）EgGaN-bx（1-x） Eg（x）是InxGa1-xN的带隙宽度，EgInN和EgGaN是 InN和GaN的带隙宽度，b是弯曲参数（1.00eV）
9.1.1 未掺杂GaN
9.1.2 n型GaN
• 常使用SiH4作为n型掺杂剂，电子的浓度随 SiH4的流速线性改变。一般掺杂浓度在 1017~1018cm-3最佳。
*摘自范冰丰博士论文
9.1.3 p型GaN
• 在NH3作为N源的GaN生长过程中，会出现氢化过程，形成Mg-H络合物。 在N2气氛下热退火p型GaN薄膜内能从受主H中性络合物中移除H原子， 降低电阻率，光致发光谱的蓝光发射增强。
题外话：中村修二与日亚
• 中村修二-Nichia(日亚化学) • 前身是生产荧光灯、显示器所用的荧光粉，年收入仅20亿日元(约 2000万美元)，不到200人的小公司，在酒井士郎(德岛大学教授)的建 议下，日亚开始搞氮化物。蓝光、白光LED的发明，使日亚成为世界 知名的LED领导企业。从1994~2010，日亚可以从中获得大约1兆 2， 086 亿日元 ( 约合109.87 亿美元 )的销售收入 。另外，其它公司从日 亚公司获得专利使用许可之后，销售额至少达到日亚的一半，日亚公 司能从中得到 20% 的专利使用许可费计 1，208 亿日圆 ( 约合10.98 亿美元 ) 。好斗的日亚，不断挑起诉讼，以获得知名度。 • “奴隶的战争” • 中村的研究一度被日亚终止，中村的执著使得发明得以完成(191件专 利，尚有未公开部分) 。中村修二为日亚化学获得了近2000亿日元受 益，尚不包括将来的和向其它公司专利授权的收入。日亚化学仅仅支 付2万日元的奖励(年薪100万美元)，中村还被调离研发一线，被同行 成为“中村奴隶”。1999年中村离开公司，日亚试图以6000万日元买 断中村的发明，并状告中村泄密，谈判持续5年，2005年和解，赔偿 金额从600亿降到8.4亿日元(约为6700万元 )，过程曲折，被称为“奴 隶的战争”
• 晶格的失配—高的位错密度（1013 cm-3）
• Si表面活性强—非晶SiNx和Ga回融 • 吸光衬底—硅衬底LED出光效率低 外延生长
结构设计
9.3.8 硅衬底GaN蓝光LED
缓冲层技术
HT-AlN缓冲 层 Journal of Crystal Growth
•
268 (2004) 515–520
9.3.5 InGaN多量子阱（MQW）结构LED
阱的生长温度时(700-800℃) 垒区温度(约为800-900 ℃) *摘自范冰丰博士论文
9.3.6 紫外LED
• 有源层为组分较低的InGaN。 • 紫色峰值波长420nm，FWHM为25nm；近紫外 峰值波长为387nm，FWHM为14nm。20mA时功 率输出大于2mW。
Bulk GaAs -direct growth
600-700℃ ~10 Low Single injection, flexible reactor size
Growth temperature V/III Ratio Total Flow Reactor
9.1 GaN生长
• GaN有好的热稳定性和 化学稳定性，在加热和 光照时能缓慢溶解于强 碱中。 • GaN及其三元化合物晶体 的稳定结构为具有六方 对称性的纤锌矿结构， 立方对称性的闪锌矿结 构是亚稳相，高压下为 NaCl结构。
9.4.1.2 蓝宝石
• 生长GaN目前用得最多的是蓝宝石（Al2O3）衬底。从上 世纪六十年代第一次使用蓝宝石衬底生长GaN薄膜开始， 蓝宝石一直是氮化物生长的主要衬底。 • GaN材料生长在蓝宝石衬底的c面可比其它面获得更好的 晶体质量。蓝宝石衬底熔点高，化学性能稳定，晶体质量 高，成本相对较低，可获得大至6’’衬底 • 蓝宝石衬底和GaN存在较大的晶格失配（16%）和热膨胀 系数失配（34%），GaN的缺陷密度量级在109cm-2，薄 膜存在压应力，厚度一般在10 μm以下，另外，蓝宝石材 料热导系数很低。 • 蓝宝石衬底上的GaN生长一般须要二步生长（two-step growth）或侧向外延生长（lateral epitaxial overgrowth， LEO）的方法来释放GaN与衬底间的应力。
9.1.4 GaN p-n结LED
• 硅是n型掺杂剂，镁是p型掺杂剂，生长之 后热退火形成低阻p型GaN层 • 赤崎勇的GaN基p-n同质结LED在1992年外 量子效率达到1%。 p电极
p-GaN
n-GaN
GaN buffer
n电极
Sapphire substrate
9.2.1 未掺InGaN
9.1.1 未掺杂GaN
• 通常在1000℃左右用MOCVD方法在（0001） 晶向的蓝宝石衬底上生长GaN薄膜，晶格 失配为17% • 未掺杂的GaN通常是n型导电性，施主主要 是缺陷或残留杂质，如氮空位和残留氧。 • 目前流行的方法是用低温的GaN作为缓冲 层。氢气氛中加热到1050度，降温到500度 左右生长GaN缓冲层，然后升温到1050度 生长GaN薄膜。
题外话：中村修二与日亚
• 由于在蓝光LED方面的杰出成就，中村教授获得了一系列 荣誉，包括仁科纪念奖（1996），IEEE Jack A.莫顿奖， 英国顶级科学奖（1998）；富兰克林奖章（2002）， 2003年中村教授入选美国国家工程院（NAE）院士， 2006年获得千禧技术奖。 2000年，中村教授加入加州大 学圣芭芭拉分校。他获得100多项专利，并发表了200多 篇论文。