半导体发光材料
半导体发光材料
半导体发光材料半导体发光材料是一种在电流或电场的作用下能够发出可见光的材料。
它们通常是由半导体材料构成的，具有直接能隙结构，能够实现电子和空穴的复合，从而产生光子。
半导体发光材料在现代光电子技术中具有广泛的应用，如LED、激光器、光电探测器等。
本文将从半导体发光材料的基本原理、材料种类以及应用领域等方面进行介绍。
半导体发光材料的基本原理是通过外加电场或电流使得电子和空穴发生复合，从而释放出能量，产生光子。
这种发光过程是一种固体物理学中的直接能隙辐射过程。
在半导体材料中，电子和空穴可以通过外加电场或电流被激发到激子态，当激子复合时，就会释放出光子，产生发光现象。
根据材料的不同，半导体发光材料可以分为多种类型，包括有机发光材料、无机发光材料、量子点发光材料等。
有机发光材料通常是指含有碳、氢、氧、氮等元素的有机化合物，如聚合物发光材料、有机小分子发光材料等。
无机发光材料则是指由无机化合物构成的发光材料，如氧化锌、氮化镓等。
而量子点发光材料是一种新型的半导体纳米材料，具有优异的光电性能和发光特性。
半导体发光材料在LED、激光器、光电探测器等领域有着广泛的应用。
LED作为一种新型的绿色照明光源，具有节能、环保、寿命长等优点，已经逐渐取代了传统的白炽灯和荧光灯。
激光器则是一种高亮度、高单色性、高方向性的光源，被广泛应用于通信、医疗、制造等领域。
光电探测器则是利用半导体发光材料的光电特性来实现光信号的转换和检测，广泛应用于光通信、光谱分析、遥感探测等领域。
总的来说，半导体发光材料作为一种重要的光电功能材料，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和发展，相信半导体发光材料将会在更多的领域得到应用，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
第三讲++半导体发光材料
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AlGaAs
AlxGa1-xAs这种三元系晶体结构的特点是在Al摩尔比x 的整个取值范围内都有几乎理想的晶格匹配。GaAs 与AlAs的晶格常数分别为0.56532nm和0.56622nm， 晶格失配小，在GaAs衬底上生长外延层时，不需要 过渡层，就能获得很高质量的AlxGa1-xAs外延层。
半导体晶体的带隙宽度必须大于所需发光波长的光子能量
h Eg
h
c
Eg
hc
Eg
(nm) 1240
Eg
Eg
hv
其中，h为普朗克常数6.626*10-34J.s， c为光速2.9979*108m/s; 1J=6.25*1018eV
可见光λ：380-780nm，可求对应半导体材料Eg
缩短少数载流子寿命 降低发光效率 SiC晶体、GaN晶体的缺陷
改进材料的生长方法，外延材料要与衬底在晶 格常数和热膨胀系数匹配。
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作业1：调查蓝宝石作为蓝绿光LED衬底的优 缺点，在LED结构设计的过程中如何克服蓝宝 石的缺点？
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可获得电导率高的P型和N型材料
为制得优良的PN结，要能呈现p型和n型两种晶体 为获得较高的结电场，P区和N区的掺杂要足够高。
发光材料是发光器件的基础，是器件性能提高的 关键
GaAs、GaP、GaAsP II-VI族二元化合物半导体发光器件进展迟缓，虽然曾
被认为是可见光和近紫外区发光器件最自然的候选材 料。 OLED的发光材料研究
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发光材料
LED芯片用的半导体发光材料：电致发光材料， 无机，与光致发光的荧光粉材料不同
半导体发光材料
半导体发光材料半导体发光材料是一种能够将电能转化为光能的材料，它在当今光电技术中发挥着重要的作用。
半导体发光材料的发展与应用已经极大地推动了显示技术、照明技术、激光技术等领域的发展，同时也为我们提供了更多的科技产品和便利。
半导体发光材料主要有发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）两大类。
这两种材料的基本原理是通过施加电压使半导体中注入的电子跃迁到较低的能级，产生能量差大于光子能量的电子，从而激发发射特定波段的光。
其中，LED通过不同的材料和掺杂方法可以发射不同波长的光，实现了全彩色显示和照明；LD则可以实现高功率紧束的单色激光输出，广泛应用于光通信和材料加工等领域。
半导体发光材料具有许多优点，首先是高效能。
较传统的光源如白炽灯和荧光灯，半导体发光材料的能量转换效率更高，可以将电能转化为光能的比例提高至40%以上，大大节省了能源消耗。
其次，寿命长。
半导体发光材料的寿命能达到上万小时，远远超过传统的光源，大大减少了更换光源的频率和维护费用。
再次，体积小。
半导体发光材料具有小体积、轻质量等特点，方便了集成和应用。
以LED为例，它可以制作成各种不同形状的灯珠，方便用于各种光电产品。
半导体发光材料的应用领域非常广泛。
在显示技术方面，LED 已经广泛应用于室内和室外的显示屏幕、电视背光、车辆尾灯等领域，实现了更加真实、生动的图像和视频展示效果。
在照明技术方面，LED灯泡以其高效能、寿命长的优势逐渐取代了传统荧光灯和白炽灯，成为主流的照明光源。
在激光技术方面，半导体激光器不仅成为了医疗美容领域的重要工具，还在工业加工、光通信等领域发挥着重要作用。
然而，半导体发光材料也存在一些问题和挑战。
比如，半导体材料的成本较高，也对环境有一定的污染，需要进一步降低材料成本和环境污染。
此外，虽然已经取得了很大的进展，但半导体发光材料的颜色纯度和光输出强度仍有提高的空间，需要进一步研究和改进。
总之，半导体发光材料是当今光电技术中不可或缺的重要组成部分，它的出现和发展改变了我们的生活和工作方式。
半导体发光材料的研究及其应用
半导体发光材料的研究及其应用半导体发光材料是一种光电材料，具有磷光和电致发光等特性。
它的应用范围很广，从普通的照明到高端的科技领域都有用到。
半导体发光材料的研究与应用是一项热门的科技领域，在很多国家的企业和研究机构都拥有重要地位。
一、半导体发光材料的基本原理半导体发光材料发光的基本原理是在外电场或外光激发的作用下，材料的原子或分子跃迁会产生一个光子，使得材料发出光。
半导体作为一种典型的半导体材料，具有广泛的用途和优越的性能。
它在照明、显示、通讯、电子、生物等领域都有着巨大的应用潜力。
二、半导体发光材料的种类和特点半导体发光材料种类繁多，其中最具代表性的是LED。
LED的生产和应用已成为半导体电子产业中的重要分支。
在IC封装、显示、数字信息处理等众多领域，LED的应用已经得到广泛的推广。
与传统的照明设备相比，LED具有高亮度、低电压、低热量、长寿命、易调节等诸多优点。
此外，半导体发光材料还包括荧光材料、散射材料等，其作用各异。
三、半导体发光材料的应用1. 照明行业。
LED的应用在照明行业上已经得到了极大的发展。
它以低功率高亮度的光源，成为了照明行业复兴的主角，同时因其无汞、无紫外线辐射等特性，成为高效、环保的替代品。
2. 显示行业。
LED显示屏、OLED等技术都是半导体发光材料应用在显示行业的代表。
它不但具有亮度高、功耗低、分辨率高等特点，同时还具有高度灵活的可塑性，可以满足各种复杂环境下的显示需求。
3. 通讯行业。
LED通讯是利用半导体的发光原理进行无线通讯，已成为近年来通讯领域的最新宠儿。
LED通讯主要具有频谱隔离、安全可靠、能量有效等优势，因此在安保、机场、商场等各领域展现出更广泛的应用空间。
4. 生物检测领域。
半导体发光材料在生物医学检测和药物研发方面也有广泛的应用。
通过荧光信号的检测，实现对生物分子、生命体系的快速便捷、高灵敏检测。
四、半导体发光材料的未来发展半导体发光材料作为未来科技领域的热门方向，未来的发展需注重以下几方面。
半导体发光材料的制备及其应用研究
半导体发光材料的制备及其应用研究半导体发光材料是一种具有重要应用前景的新型材料，其在消费电子、航空航天、医药以及能源等领域中都具有广泛的应用。
本文将介绍半导体发光材料的制备方法及其应用研究。
一、半导体发光材料的制备方法半导体发光材料的制备方法有多种，其中较常见的有以下几种：1. 溶液方法溶液法是一种常用的半导体发光材料制备方法。
它利用低沸点有机物质作为溶剂，在其中分别加入金属离子和有机配体，通过加热使其反应生成发光材料。
该方法制备过程简单，费用低廉，但存在环保问题。
2. 气相扩散法气相扩散法是将金属材料和其他材料混合，制成均匀的粉末，然后通过高温、高压的气相反应，沉积在基板上形成薄膜。
这种方法可以制备高质量的薄膜，但条件较苛，制备成本较高。
3. 水热法水热法是在高温、高压的水溶液中，通过金属离子和配体之间的络合反应，制备出发光材料。
该方法具有制备高质量、高度晶化的优点，但需要高压设备和精确控制反应条件，制备成本较高。
以上三种方法存在优缺点，不同的方法适用于不同的发光材料，根据实际需要进行选用。
二、半导体发光材料的应用研究1. 电子显示半导体发光材料在电子显示领域中得到广泛应用。
目前市场上的各类电子设备均使用LED（Light Emitting Diode）光源，其中就包括红、绿、蓝三原色的LED。
此外，还有OLED（Organic Light Emitting Diode）等新型电子显示技术的光源也采用半导体发光材料。
2. 光电通信在光电通信领域中，半导体发光材料也有着重要的应用。
如半导体激光器可作为高速光通信传输的光源，LED光源也被广泛应用于光纤通信的收发模块中。
3. 医学半导体发光材料在医学领域的应用也十分广泛。
例如将荧光染料与纳米材料结合，可以制成有精确控制释放药物的纳米粒子，可以在癌症治疗方面发挥作用。
4. 能源半导体发光材料在能源领域也有着广泛的应用。
例如利用LED制造高效节能的照明设备，可以节省大量能源。
发光二极管的材料
发光二极管的材料发光二极管（LED）是一种半导体器件，其发光原理是通过半导体材料的电子跃迁而产生的。
在LED的制造过程中，材料的选择对其性能和发光效果起着至关重要的作用。
下面我们将介绍LED常用的材料及其特性。
1. Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料是LED制造中最常用的材料之一，包括氮化镓、磷化铝、砷化镓等。
这些材料具有较大的带隙能量，因此可以发射可见光甚至紫外光。
其中，氮化镓材料的发展尤为迅速，其发光效率和稳定性都得到了大幅提升。
此外，磷化铝材料也被广泛应用于LED的制造中，其发光波长覆盖了红、橙、黄等颜色。
2. Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。
Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料也是LED的重要材料之一，主要包括硫化镉、硒化锌等。
这些材料通常用于制造红外LED，其发光波长较长，适用于红外通信、遥控器等领域。
此外，硒化锌材料也可以用于制造蓝光LED，其发光效果优异。
3. 磷化物材料。
磷化物材料是一类新型的LED材料，其发光效率和稳定性均优于传统的Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。
磷化物LED可以实现更高的发光效率和更广泛的发光波长范围，因此在照明、显示等领域具有广阔的应用前景。
4. 硅基LED材料。
硅基LED材料是近年来备受关注的新型材料，其制备工艺相对简单，成本较低，且可以与传统的硅基电子器件兼容。
虽然硅基LED的发光效率较低，但由于其在集成电路领域的优势，仍然具有重要的应用价值。
5. 其他材料。
除了上述几类常用的LED材料外，还有一些新型材料正在被研究和开发，如氮化铟镓、氮化铟镓锡等。
这些材料在发光效率、发光波长范围、稳定性等方面均具有优势，有望成为未来LED制造的重要材料。
总的来说，LED的材料选择对其性能和应用领域有着重要影响。
随着半导体材料科学的不断发展和进步，LED材料的种类将会更加丰富，其性能也将得到不断提升。
相信在不久的将来，LED将会在照明、显示、通信等领域发挥越来越重要的作用。
半导体发光材料
杂质发陷阱
束缚激子
01
对提高间接带隙材料的发光效率起着关键
作用。
2.掺Er杂质发光
发光机理：激子传递能量模型。
02
目前的局限：Er在Si中的固溶度仅能到
1018cm-3，
半导体发光材 料
直接跃迁的半导体材料
以III-V族化合物半导体以及由它们组成的三四元固溶 体为主 GaAs InP GaN GaAsP InGaAsP ......
GaAs半导体 材料
01
典型的直接跃迁型材料
02
最为重要且研究最多的III-V族化合物半导体
03
Eg~1.43eV，λ~900nm
04
微波器件，半导体激光器，上转换可见光器件
05
的红外激发源，发光耦合器的红外发光源等
许多材料外延生长的衬底
GaAs基本性 质
01 闪锌矿结构
自然解理面
02
主要缺陷
位错 化学计量比偏离 杂质偏析 显微沉淀
GaAs的发光 原理
1
10-1
发
光
相
对
10-2
N型
P型
效
率
10-3
10-4 1016
1017
发光效率较低发光强度不高。
硅基量子结构
研究集中在αSi(Ge)/SiO2超晶格、 SiGe/Si量子阱和Si(Ge)量 子点发光。
原因
○ 为了对量子点发光的机理进行深入研究，以求得物理上的正确模 型与解释。
○ 在Si上制作量子点，从三维上对电子和空穴进行限制，真正回避了 硅基材料间接带隙发光效率低的难题。
半导体照明技术
半导体照明技术
三、高亮度发光二极管芯片构造
刚开始研制成旳高亮度LED，都是在半导体激光器件中已
成熟采用旳双异质结构造，这种构造生长旳特点是生长轻易，
提升发光效率旳效果明显，它旳特制双异质构造形成旳势垒将
注入旳载流子限制在复合区内，大大提升了发光复合效率。但
为了提升发光效率，又对芯片构造进行了许多新旳改善，详细
半导体照明技术
4、色温 色温旳特征能够用色坐标（X、Y）来量化，根据X、Y值
能够得杰出温或有关色温。如混合485nm(蓝光)和583nm (橙 黄光)，可得到色温大约为4000K旳白色光。对于三色白光源 来说，能够调整三色旳成份来控制光源旳色温。目前经过调 整LED或荧光粉旳波长和带宽以及相应成份能够得到从低到 高色温区旳所用白光。所以对于半导体照明光源来说，色温 也不是困难。
发光波长与构成x间符合关系式：
1.24 103 1.43 1.23x
综合考虑外量子效率与x旳关系和人眼是视觉敏捷度， 存在一种最佳旳构成x值x=0.4，得到最高旳发光亮度，波长 为650-660nm。
半导体照明技术
四、镓铝砷
1、Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs旳固溶体。当x=0.35时由直接 跃迁变成间接跃迁。
半导体照明技术
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上生长旳高质量(AlxGa1-x)0.5In0.5P薄膜是半 导体照明中主要旳异质构造材料。
2、直接带隙到间接带隙旳转变出目前x=0.65，相应于带隙能 量2.3eV，所以能得到656nm到540nm范围内旳光发射。用它制 成旳发光二极管得到了可见光中最高旳发光效率，在614nm到 达108lm/W。
半导体发光材料
LED的分类
1． 按发光管发光颜色分
按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分 黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包 含二种或三种颜色的芯片。 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色， 上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、 有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做 指示灯用。
Relative spectral output power 40 C 1
o o
25 C
85 C
o
0 740 840 800 Wavelength (nm) 880 900
The output spectrum from AlGaAs LED. Values normalized to peak emission at 25 oC
7.2半导体发光材料
一、LED发光二极管
LED（Lighting Emitting Diode）即发光二 极管，是一种半导体固体发光器件。它是 利用固体半导体芯片作为发光材料，在半 导体中通过载流子发生复合放出过剩的能 量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、 绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产 品就是利用LED作为光源制造出来的照明 器具。
光通量（Luminous Flux） 光通量F是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的 性能优劣。F为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电 流直接有关。随着电流增加，LED光通量随之增大。可见光 LED的光通量单位为流明（lm）。 发光强度为1烛光的点光源，在单位立体角（1球面度）内 发出的光通量为“1流明”。流明即是Lumen，那么这个 Lumen到底代表了什么意义呢？好吧，Lumen严肃地讲实际上 是代表着光的强度，也就是光通量（Luminous Flux即指光源 在某一单位时间内所发出之光线总数量，一般称作光束）的单 位，简而言之，流明就是光束照在物体表面的量。 LED向外辐射的功率——光通量与芯片材料、封装工艺水 平及外加恒流源大小有关。目前单色LED的光通量最大约1 lm， 白光LED的F≈1.5~1.8 lm（小芯片），对于1mm×1mm的功率 级芯片制成白光LED，其F=18 lm。
半导体的基本概念及典型的半导体材料
半导体的基本概念及典型的半导体材料
半导体是一种电子和空穴两种载流子都参与导电的物质。
它的导电能力介于导体（如金属）和绝缘体（如陶瓷、橡胶）之间。
半导体的导电性受温度、光照、杂质等因素的影响，具有可控性和可变性。
典型的半导体材料有以下几种：
1. 硅（Si）：硅是最常用的半导体材料，广泛应用于集成电路、太阳能电池等领域。
硅半导体具有较高的热稳定性和化学稳定性，是目前应用最广泛的半导体材料。
2. 锗（Ge）：锗与硅类似，也是一种重要的半导体材料。
由于锗的带隙较小，因此其发光波长较长，适用于红外光探测器等器件。
3. 砷化镓（GaAs）：砷化镓是一种III-V族化合物半导体，具有直接跃迁的特点，因此在光电器件、激光器等领域有广泛应用。
4. 磷化铟（InP）：磷化铟也是一种III-V族化合物半导体，具有优异的光电性能，适用于光纤通信、光探测器等器件。
5. 碳纳米管：碳纳米管是一种一维纳米材料，具有独特的电学、光学和力学性能。
近年来，碳纳米管在电子器件、传感器等领域的应用逐渐受到关注。
6. 氮化镓（GaN）：氮化镓是一种宽禁带半导体材料，具有高的电子迁移率和高的击穿电压，适用于高功率、高频、高温等特殊环境下的电子器件。
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半导体发光材料具有优异的光电催化及光电转化活性等特性, 已应用于光学材料,
太阳能材料,压电晶体和激光材料等领域。
近年来，由于纳米材料科学的兴起人们对半导体发光材料的制备方法，性能及其应用进行了大量的研究，取得了重要的成就。
ZnSe半导体发光材料的研究进展
美国贝尔实验室在所制备的CdSe纳米粉体中发现，随着CdSe颗粒尺寸的减小发光带的波长逐渐变小，通过控制CdSe纳米颗粒的大小，制得了可在红、绿、蓝光之间变化的可调谐发光管。
1991年，美国3M公司研制成功了世界上第一个ZnSe基电泵浦蓝绿色激光器，引
起了国际上学术界极大的轰动。
近年来，对ZnSe基蓝绿色半导体激光器的研究，取得了里程碑式的研究成果。
用ZnSe材料制成的半导体蓝色激光器和发光二极管在水下通讯、通信、复印、高密度的信息储存、高分辨率的图像显示、信号指示以及医学、基础研究、环境检测、战地生
化检测等方面有着极为广阔的应用前景。
蓝色激光器用于彩色高分辨率的图像传真，在海底等一些特殊环境下通信更为安全可靠以蓝色激光取代目前激光打印机上普遍采
用的红外激光或红色激光，由于其感应灵敏度的提高，可使打印速度提高一到二个量级。
在当前材料科学研究中ZnSe 半导体发光材料的制备技术倍受关注，追求获得成分纯正、结晶良好、光电性能稳定、低欧姆接触电阻、长寿命的ZnSe材料，成为21世
纪引人注目的焦点。
经过40 多年的漫长探索，人们打破传统的“热平衡生长”材料制备方法，ZnSe材料的制备技术已取得了长足的进步。
尽管ZnSe基蓝绿色半导体激光器在四到五年内，连续工作时间由秒级提高到现
在的400h，工作电压也由最初的20v左右降低到目前的3.7v取得了长足的进步与发
展!但如何获得高净空浓度的p型掺杂，实现良好的低阻欧姆接触，延长器件使用寿命，使之达到实用化，仍然存在大量的课题，还需要不懈的努力与探索。
LED用半导体发光材料的产业现状
半导体技术在引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命——照明革命，
其标志就是用半导体光源逐步替代白炽灯和荧光灯。
我国 LED 产业诞生于 20 世纪 70 年代，起步较早。
我国自主研制的第一只发光二
极管，比世界上第一只发光二极管仅仅晚几个月。
2004 年 7 月 3 日，科技部宣布正
式启动“国家半导体照明工程”首批 50 个项目。
根据“国家半导体照明工程”计划，2007 年起我国半导体照明将逐步取代白炽灯，2012 年后取代荧光灯。
现在，我国从
事半导体发光二极管器件及照明系统的规模以上生产企业有 400多家，年产量约 200 亿只。
图 1 为 LED 超薄吸顶灯。
鉴于 LED 的优势，目前主要应用于以下几大方面：
（１）显示屏、交通信号显示光源
LED 灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种
室内、户外显示屏。
２）汽车工业
汽车用 LED 包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。
（３）LED 背光源
以高效侧发光的背光源最为引人注目。
LED 作为液晶屏（LCD）背光源，具有寿
命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点，已广泛应用于电子手表、手机、电子
计算器和刷卡机上。
（４）照明光源
目前能生产照明光源的公司较少，居于领先水平的公司主要有日本的（NICHIA）、美国科瑞（CREE）、欧洲的欧斯朗（OSRAM）等。
这些大厂凭借其原创性专利，垄断了目前全部白光 LED 前沿技术，其产品占有市场绝大多数份额。
综上所述，对于 LED 芯片用半导体材料，我们应该看到以下趋势：
（1）采用硅衬底生长出Ga N pn结发光二极管是整个LED产业梦寐以求的事如
果在生产上实现，同时该技术如能与成熟的硅材料加工与封装等技术相结合，Ga N的发展将进入又一个高速发展时期。
（2）出于对廉价发光材料的开发应用，ZnO 的研究将成为下一个热点，如能制造出高质量 ZnO pn 结电致激光发光器LD，则 Zn O 的 LD 应用时代就将开始。