半导体照明发光材料

第六章
半导体照明发光材料
本章内容提要 半导体照明是一种基于半导体发光二 极管新型光源的固态照明，是21世纪最具 发展前景的高技术领域之一，已经成为人 类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一 次飞跃。白光LED的发展，使发光材料的 研究与应用进入了一个新的研究阶段。本 章将介绍半导体照明、硅酸盐基质及氮化 物基质白光LED发光材料。
6.1.2
LED的结构及工作原理
p电极（+） p型隔离层
光 有源层 n型隔离层 n型衬底
图6-1为LED的结构截 面图。要使LED发光， 有源层的半导体材料必 须是直接带隙材料，越 过带隙的电子和空穴能 够直接复合发射出光 子。为了使器件有好的 光和载流子限制，大多 采用双异质结（ＤＨ） 结构。
n电极（-） 图6-1 LED的结构截面图
6.2.4
氧化锌（ZnO）
ZnO具有铅锌矿结构，a =0.325 33 nm，c =0.520 73 nm，z =2，空间群为C46ν-P63mc。作为一种宽带隙 半导体材料，其室温禁带宽带为 3.37 ev，自由激子束 缚能为 60 meV。ZnO与GaN的晶体结构、晶格常量都 很相似，晶格失配度只有 2.2 %（沿<001>方向）、热 膨胀系数差异小，可以解决目前 GaN 生长困难的难 题。 随着光电技术的进步，ZnO 作为第三代半导体以 及新一代蓝、紫光材料，引起了人们的广泛关注，特 别是 p 型掺杂技术的突破，凸显了 ZnO 在半导体照明 工程中的重要地位。尤其与 GaN 相比，ZnO 具有很高 的激子结合能（60 mev），远大于 GaN（21 meV）的 激子结合能，具有较低的光致发光和受激辐射阈值。
ＬＥＤ的核心部分是由ｐ型半导体和ｎ型半 导体之间有一个过渡层，称为ｐ－ｎ结。其基本的 工作原理是一光电转换过程————
当一个正向偏压施加于ｐ－ｎ结势垒的降低，ｐ区的 正电荷将向ｎ区扩散，ｎ区的电子也向ｐ区扩散，同时在 俩个区域形成非平衡电荷的积累。对于一个真实的ｐ－ｎ 结型器件，通常ｐ区的载流子浓度远大于ｎ区，致使ｎ区 非平衡空穴的积累远大于ｐ区的电子积累（对于ｐ－ｎ 结，情况正好相反）。由于电流注入产生的少数载流子是 不稳定的，对于ｐ－ｎ结系统，注入价带中的非平衡空穴 要与导带中的电子复合，其中多余的能量将以光的形式向 外辐射。
砷化镓是黑灰色固体，属闪锌矿结构，晶格常数为 5.65×10-10 m，熔点为 1 237 ℃，禁带宽度 1.4 eV，是典 型的直接跃迁型材料，发射的波长在 900 nm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。其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。他们被 大量应用于遥控器和光电耦合器件。 砷化镓是半导体材料中兼具多方面优点的材料，但用 它制作的晶体二极管的发达倍数小，导热性差，不适宜制 作大功率器件。虽然砷化镓具有优越的性能，但由于它在 高温下分解，故要生长理想化学配比的高纯度单晶材料， 技术上要求比较高。
6.2.3
磷化镓（GaP）
GaP是人工合成的化合物半导体材料，是一种橙 红色透明晶体。磷化钾的晶体结构为闪锌矿型，晶格 常数为（5.447±0.06）Å，化学键是以共价键为主的 混合键，其离子键成分约为 20%，300 K时能隙为 2.26 eV，属间接跃迁半导体。 磷化镓为单晶材料和外延材料。工业生产的衬底 单晶均为渗入硫、硅杂质的n型半导体。磷化镓外延 材料是在磷化镓单晶衬底上通过液相外延或气相外延 加扩散生长的方法制得，多用于制造发光二极管。液 相外延材料可制造红色、黄绿色、纯绿色光的发光二 极管，气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。
• 80年代，重大技术突破，开发出AlGaAs 材料的LED，发光效率达到 10 lm/w • 1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED 成熟，发光效率达到 40—50 lm/w • 1990年基于SiC材料的蓝光LED出现，发 光效率为0.04 lm/w • 90年代中期出现以蓝宝石为衬底的GaN 蓝光LED，到目前仍然采用该技术
6.2.2
氮化镓（GaN）
GaN在大气压下一般是六方纤锌矿结构。它的一个 原胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。GaN是 极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为 1 700 ℃。它是一种宽禁带半导体（Eg=3.4 eV），自由激 子束缚能为 25 meV，具有宽的直接带隙，GaN是良好的 光电子材料，可以实现从红外到紫外全可见光范围的光 发射和红、黄、蓝、三原色具备的全光固体显示。 作为一种宽带半导体材料，GaN能够激发蓝光的独 特物理和光电属性使其成为化合物半导体领域最热的研 究领域，近年来在研究和商用器件方面的快速发展更使 得GaN基相关产业充满活力。当前，GaN基的近紫外、蓝 光、绿光发光二极管已经产业化，激光器和光探测器的 研究也方兴未艾。
6.3.1 铈掺杂钇铝石榴石 6.3.2 白光LED用发光材料的 深入研究与新体系探索 6.3.3 硅酸盐发光材料 6.3.4 氮化物发光材料
6· 2 半导体发光材料
6.2.1 砷化镓（GaAs） 6.2.2 氮化镓（GaN）
· 课后习题
前
言
半导体照明是指用全固态发光器件即发射 白色的发光二极管———白光LED（light emitting diode）作为光源的照明技术。它利用 固体半导体芯片作为发光材料，具有高效、节 能、环保、寿命长、易维护、可靠性高等优 点。白光LED的发展，是发光材料的研究与应用 进入一个新的研究阶段。由于激发源是短波紫 外、长波紫外或紫光发射的半导体，且输出功 率高，因此对发光材料性能会提出特定的要 求，而针对这些特定要求开展白光LED专用发光 材料的研究成为新的研究课题。
半导体发光材料
半导体发光材料是发光器件的基础。在半导 体的发展历史上，1990年代之前，作为第一代的 半导体材料以硅（包括锗）材料为主元素的半导 体占统治地位。随着信息时代的来临，以砷化镓 （GaAs）为代表的第二代化合物半导体材料显 示了其巨大的优越性。而以氮化物（包括SiC、 ZnO等宽禁带半导体）为代表的第三代半导体材 料，由于其优越的发光特征正式成为最重要的半 导体材料之一。今后器件性能的提高也很大程度 上取决于材料的发展。
本征 ZnO 是一种 n 型半导体，必须通过受主掺 杂才能实现 p 型转变，但是由于氧化锌中存在 较多本征施主缺陷，对受主掺杂产生自补偿作 用，并且受主杂质固溶度很低，因此，p 型 ZnO 的研究已经成为国际上的研究热点。
6.2.5
碳化硅（SiC）
SiC 的晶体结构可以包括立方（3C）、六方 （2H、4H、6H…）以及菱方（15R、21R…）等。 它们在能量上很接近，结构上由六角双层的不同堆 积形成。最常见的形式是 3C（闪锌矿结构 ZB）。 目前器件上用得最多的是 3C - SiＣ、4H- SiC 和6HSiC。通常对具有相对最小带隙的3C - SiC（2.4 ev） 直至具有最大带隙的 2H - SiC（3.35 eV）的能带结 构的研究发现，它们所有的价带-导带跃迁都有声子 参与，也就是说这些类型的 SiC 半导体都是间接带 隙半导体。 SiC 是目前发展最为成熟的宽带半导体材料。它 有效的发光来源于通过杂质能级的间接复合过程。
因此，掺入不同的杂质，可以改变发光波长，其 范围范围覆盖了从红到紫的各种色光。而 SiC 蓝 光 LED 是唯一的商品化的 SiC 器件，各种 SiC 多 型体的 LED 覆盖整个可见光和近紫外光区域。 6H - SiC 蓝光二极管是 n - B 杂质对复合发光。 SiC 作为第三代宽禁带半导体的典型代表，无论 是单晶衬底质量、导电的外延层还是高质量的介 质绝缘膜和器件工艺等方面都比较成熟，或有可 以借鉴的 SiC 器件工艺作参考，由此可以预测在 未来的宽禁带半导体器件中，SiC 将担任主角， 独霸功率和微电子器件市场。
光性能
电性能
光物质安全性能 视网膜蓝光危明领域对白光LED的光电性能的基本要求如下： (1)发光效率：约 100 lm/W（IF=350 mA）； (2)光通量：约 500 lm（=发光效率×正向电压×350 mA） (3)色温：3 000~8 000 K； (4)显色指数：大于 80； (5)寿命：1~5 万小时。
6.1.1
LED的发展历史
• 罗塞夫lossew.o.w在1923年就发现了半导 体SiC中偶然形成的p-n结的光发射 • 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0.1 lm/w • 1968年利用半导体搀杂工艺使GaAsP材料 的LED的发光效率达到1 lm/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 率也达到1 lm/w
成为半导体发光材料的条件包括：
(1)半导体带隙宽度与可见光和紫外光光子能量 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)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。
6.2.1
砷化镓（GaAs）
制亮度，也可以通过不同波长LED的配置实现色彩的变化与调节。并 且，LED光源的应用，原则上不受空间的限制，可塑性极强，可以任 意延伸，实现积木式拼装。
6· 绿色、环保：用LED制作的光源不存在诸如水银、铅等环境污染
物。
6.1.4
照明用LED特性
LED照明光源的主流将是高亮度的白光LED。目 前，已商品化的白光LED多以蓝光单芯片加上 YAG黄光荧光粉混合产生白光。未来被看好的是 三波长白色LED，即以无机紫外光芯片加红、 蓝、绿、三种颜色荧光粉混合产生白光，他将取 代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及LED背光源等 市场。LED性能的光电参数如表6-1所示。
6.1.３
ＬＥＤ光源特点
１· 工作寿命长：ＬＥＤ亮度半衰期通常可达１０万小时。 ２· 耗电低：同等亮度下，耗电较小，大幅度降低能耗。 ３· 响应时间快：LED一般可在几十纳秒内响应，因此是一种高速