半導(dǎo)體照明技術(shù)ppt.ppt

第五章半導(dǎo)體發(fā)光材料體系 半導(dǎo)體發(fā)光材料是發(fā)光器件的基礎(chǔ) 如果沒有砷化鎵 磷化鎵 磷砷化鎵等材料的研究進(jìn)展 發(fā)光器件也絕不可能會(huì)取得今天這樣大的發(fā)展 今后器件性能的提高也很大程度取決于材料的進(jìn)展 成為半導(dǎo)體發(fā)光材料的條件 1 半導(dǎo)體帶隙寬度與可見和紫外光子能量相匹配 2 只有直接帶隙半導(dǎo)體才有較高的輻射復(fù)合概率 3 還要求有好的晶體完整性 可以用合金方法調(diào)節(jié)帶隙 有可用的p型和n型材料 以及可以制備能帶形狀預(yù)先設(shè)計(jì)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)構(gòu) 一 砷化鎵 GaAs 1 砷化鎵是黑灰色固體 是典型的直接躍遷型材料 其光子能量為1 4eV左右 發(fā)射的波長在900nm左右 屬于近紅外區(qū) 它是許多發(fā)光器件的基礎(chǔ)材料 外延生長用的襯底材料 2 砷化鎵屬閃鋅礦結(jié)構(gòu) 是極性共價(jià)鍵結(jié)合 離子性占0 31 砷化鎵的自然解理面是 110 礦物晶體在外力作用下嚴(yán)格沿著一定結(jié)晶方向破裂 并且能裂出光滑平面的性質(zhì)稱為解理 這些平面稱為解理面 3 砷化鎵中的缺陷主要是位錯(cuò)和化學(xué)計(jì)量比偏離造成的缺陷 如 空位 填隙原子 代位原子 空位特別是鎵空位對(duì)發(fā)光效率影響很大 4 銅是砷化鎵中最有害的雜質(zhì) 它能參與砷化鎵晶體中所有的結(jié)構(gòu)缺陷和雜質(zhì)的相互作用 造成大量的有害能級(jí) 銅還是一種快擴(kuò)散雜質(zhì) 會(huì)造成器件性能劣化 5 GaAs中的Si占據(jù)Ga或As位后形成施主或受主 因此是兩性雜質(zhì) 從Ga溶液中液相外延生產(chǎn)GaAs時(shí) 在高溫下?lián)絊i形成施主 在低溫下?lián)絊i形成受主 在940nm處出現(xiàn)發(fā)光峰 6 砷化鎵發(fā)光二極管采用普通封裝結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)光效率為4 采用半球形結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)光效率可達(dá)20 以上 它們被大量應(yīng)用于遙控器和光電耦合器件 二 磷化鎵 GaP 1 磷化鎵是橙紅色透明晶體 是典型的間接躍遷型材料 通過摻入不同的等電子陷阱中心 可以直接發(fā)射紅 綠等顏色的光 2 磷化鎵屬閃鋅礦結(jié)構(gòu) 化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)中存在的離子性為0 374 解理面為 110 3 磷化鎵的缺陷 除位錯(cuò)外 化學(xué)計(jì)量比偏離造成的缺陷較為嚴(yán)重 其中主要是鎵空位 它的濃度增加時(shí)器件效率降低 特別是影響綠光器件的效率 4 氧是磷化鎵中的一種主要雜質(zhì) 孤立的氧在導(dǎo)帶下方0 8ev處引入一個(gè)施主能級(jí) 氧還能與鎵空位 雜質(zhì)硅等相互作用形成復(fù)合體 使發(fā)光效率下降 另一有害雜質(zhì)是銅 三 磷砷化鎵1 磷砷化鎵是目前應(yīng)用較為廣泛的顯示用發(fā)光材料 GaAs1 xPx是閃鋅礦結(jié)構(gòu) 它是由直接躍遷型的砷化鎵與間接躍遷型的磷化鎵組成的固溶體 注 固溶體是指溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑的晶體類型 在室溫下 x 0 45時(shí)為直接躍遷型 x 0 4時(shí) 發(fā)紅光 峰值波長650nm 發(fā)光效率較高 當(dāng)x 0 45時(shí) 變?yōu)殚g接躍遷 效率大幅度下降 但摻入雜質(zhì)N后 如同磷化鎵 發(fā)光效率大大提高 5 摻入雜質(zhì)N后 發(fā)光效率大大提高 6 磷化鎵的液相外延材料可制造紅色 黃綠色 綠色的發(fā)光二極管 汽相外延加擴(kuò)散生長的材料 可制造黃色 黃綠色的發(fā)光二極管 2 GaAs0 6P0 4 GaAs此材料是生長在 100 砷化鎵襯底上的 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 發(fā)光波長與組成x間符合關(guān)系式 綜合考慮外量子效率與x的關(guān)系和人眼是視覺靈敏度 存在一個(gè)最佳的組成x值x 0 4 得到最高的發(fā)光亮度 波長為650 660nm 四 鎵鋁砷1 Ga1 xAlxAs是GaAs和AlAs的固溶體 當(dāng)x 0 35時(shí)由直接躍遷變成間接躍遷 2 鎵鋁砷的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是GaAs與AlAs的晶格常數(shù)十分接近 晶格失配問題很小 故在砷化鎵襯底上直接生長外延層時(shí) 不需要向磷砷化鎵那樣需要很厚的過渡層 就能獲得很高晶體質(zhì)量的Ga1 xAlxAs外延層 3 鎵鋁砷體系的優(yōu)點(diǎn)是可用廉價(jià)的液相外延方法進(jìn)行大批量生產(chǎn) 但這種技術(shù)不能保證充分消除氧玷污 另一個(gè)嚴(yán)重問題是材料容易退化 解決方案之一是生成一層穩(wěn)定的氧化物鈍化層 五 鋁鎵銦磷1 AlxGa1 x yIn1 yP y約為0 5時(shí) 其晶格常數(shù)幾乎完美地與GaAs匹配 在GaAs上生長的高質(zhì)量 AlxGa1 x 0 5In0 5P薄膜是半導(dǎo)體照明中重要的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料 2 直接帶隙到間接帶隙的轉(zhuǎn)變出現(xiàn)在x 0 65 對(duì)應(yīng)于帶隙能量2 3eV 因此能得到656nm到540nm范圍內(nèi)的光發(fā)射 用它制成的發(fā)光二極管得到了可見光中最高的發(fā)光效率 在614nm達(dá)到108lm W 3 通常 n型摻雜可用Te或Si作為施主而實(shí)現(xiàn) p型摻雜的典型受主是Zn和Mg 4 生長這種四元化合物的成熟技術(shù)是金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積 MOCVD 六 銦鎵氮1 銦鎵氮是直接躍遷結(jié)構(gòu) 帶隙寬度的整個(gè)范圍為1 95 636 6nm 3 4 365nm eV 覆蓋了整個(gè)可見光譜 2 鋁鎵銦氮的帶隙寬度更寬 在1 95 6 2eV之間 因此 GaN及有關(guān)化合物半導(dǎo)體 AlGaN InGaN等 是認(rèn)為在短波長LED方面最有前途的材料 3 AlGaInN材料體系的二元 三元和四元化合物在整個(gè)摩爾比范圍內(nèi)都有直接帶隙 非常適合做成高效的發(fā)光二極管 AlGaInN材料的主要生產(chǎn)技術(shù)是MOCVD 4 AlGaInN中典型的n型雜質(zhì)是Si 最適合的p型雜質(zhì)為Mg 第六章半導(dǎo)體照明光源的發(fā)展和特性參量 在1999年照明界提出了開發(fā)21世紀(jì)新光源的宏偉目標(biāo) 主要目標(biāo)是 1 研究高效 節(jié)能 新穎光源 2 研究照明工業(yè)新概念 新材料 防止使用有害于環(huán)境的材料 3 設(shè)計(jì)模擬自然光的理想白色光源 顯色指數(shù)接近100 實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的意義 1 減少全球照明用電量的50 全球節(jié)電每年達(dá)1000億美元 相應(yīng)的照明燈具1000億美元 2 免去超過125GW的發(fā)電容量 節(jié)省開支500億美元 3 減少二氧化碳 二氧化硫等污染廢氣3 5萬億噸 一 發(fā)光二極管的發(fā)展 2020 3 10 13 可編輯 海茲在總結(jié)過去30多年來單個(gè)LED封裝器件輸出光通量的進(jìn)展后得到了海茲定律 Haitz law 單個(gè)LED光通量每18 24個(gè)月翻一番 二 發(fā)光二極管材料生長方法大多數(shù)III V族二元化合物半導(dǎo)體都能直接從熔體中生長體單晶 用這些材料 應(yīng)用擴(kuò)散 離子注入等技術(shù)以形成P N結(jié) 可以制成場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型晶體管 也可以制造同質(zhì)結(jié)構(gòu)的便宜的LED 但GaAs和GaP都是紅外光譜區(qū)域 發(fā)射可見光譜區(qū)域 很難用熔體生長單晶制成 因此高亮度LED材料只能用外延技術(shù)生長 1 氣相外延法和液相外延法 LPE 氣相外延法的缺點(diǎn)是不夠靈活 不能生長很薄的外延層和復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 液相外延能生長較高質(zhì)量的LED材料 也能生長異質(zhì)結(jié) 較多地用于GaP和GaAlAs材料生長 2 分子束外延 MBE 和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積 MOCVD 這兩種技術(shù)更先進(jìn) 他們比較靈便 可以方便地制造異質(zhì)結(jié)構(gòu) 量子阱和超晶格結(jié)構(gòu) 而MOCVD的生長速度比MBE快得多 特別適合于生產(chǎn) 三 高亮度發(fā)光二極管芯片結(jié)構(gòu)剛開始研制成的高亮度LED 都是在半導(dǎo)體激光器件中已成熟采用的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)生長的特點(diǎn)是生長容易 提高發(fā)光效率的效果明顯 它的特制雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成的勢(shì)壘將注入的載流子限制在復(fù)合區(qū)內(nèi) 大大提高了發(fā)光復(fù)合效率 但為了提高發(fā)光效率 又對(duì)芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多新的改進(jìn) 具體有以下幾種改進(jìn)結(jié)構(gòu) 1 單量子阱結(jié)構(gòu) 2 多量子阱結(jié)構(gòu) 3 分布布拉格反射結(jié)構(gòu) 4 透明襯底技術(shù) 5 鏡面襯底 6 透明膠質(zhì)黏結(jié)型 7 表面紋理結(jié)構(gòu) 1 單量子阱結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)是對(duì)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 將原來雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中的有源層厚度從0 1 1um減到nm數(shù)量級(jí) 原來有源層摻雜 現(xiàn)改為未摻雜 用這種結(jié)構(gòu)已制成的綠色LED法向光強(qiáng)達(dá)到12cd 比雙異質(zhì)結(jié)的高3倍多 2 多量子阱結(jié)構(gòu)采用In0 22Ga0 78N In0 06Ga0 94N的薄層交替結(jié)構(gòu) 曾制作阱寬和勢(shì)壘寬相同而分別為10nm和3nm的兩種結(jié)構(gòu) 周期數(shù)為20 這種結(jié)構(gòu)在AlGaInPLED中用得比較多 阱寬可以是3nm到10nm不等 勢(shì)壘寬也可以與阱寬不同 而阱數(shù)可以從3增加到40 明顯提高了效率 3 分布布拉格反射結(jié)構(gòu)采用分布布拉格反射結(jié)構(gòu)可以將射向襯底的那部分光由分布布拉格發(fā)射鏡發(fā)射出來 大大減少襯底吸收 4 透明襯底技術(shù)在AlGaInP外延片面上最后用氣相外延方法再生長一層厚50 m左右的透明的P型GaP層 然后將砷化鎵襯底腐蝕移除 可提高光輸出2倍以上 5 鏡面襯底利用芯片融合技術(shù)以形成鏡面襯底 這種方法后來用到InGaN倒裝芯片上非常有效 硅取代了導(dǎo)熱的藍(lán)寶石襯底 再加上金屬反射效果 適合于功率LED制造 6 透明膠質(zhì)黏結(jié)型利用旋涂式玻璃將AlGaInP外延片與透明襯底藍(lán)寶石黏結(jié) 然后再將GaAs襯底腐蝕移除 并在其上形成n型歐姆接觸電極 同時(shí)部分刻蝕至p型電路分布層而形成另一個(gè)p型歐姆接觸電極 兩個(gè)電極位于同一方向 由于藍(lán)寶石透光性能極好 LED的發(fā)光效率得以大幅度提升 7 表面紋理結(jié)構(gòu)將芯片窗口層表面腐蝕成能夠提高出光效率的紋理結(jié)構(gòu) 其基本單元為具有斜面的三角形結(jié)構(gòu) 可大大減少全反射 增加光輸出 加上分布布拉格發(fā)射結(jié)構(gòu) 其效率可達(dá)到常規(guī)器件的2倍 此方法工藝簡單 效果明顯 值得大力推廣 四 照明用LED的特征參數(shù)和要求1 光通量 lm 光通量是根據(jù)人眼對(duì)光的感覺來評(píng)價(jià)光源在單位時(shí)間內(nèi)光輻射能量的大小 是表明光源發(fā)光能力的基本量 2 發(fā)光效率 lm W 從節(jié)能角度看 發(fā)光效率是一個(gè)衡量電光源質(zhì)量高低的最重要參量 白光LED的發(fā)光效率目標(biāo)是到2020年達(dá)到200lm W 2002年只有25lm W 30lm W 而到2008年已達(dá)到100lm W 3 顯色指數(shù) Ra 光源發(fā)射的光對(duì)被照射物顏色正確反映的量稱為顯色指數(shù) 不同的環(huán)境對(duì)照明光源的顯色指數(shù)Ra有不同的要求 在傳統(tǒng)光源中 發(fā)光效率和顯色性始終是個(gè)矛盾 顯色性好的光源發(fā)光效率極低 且長期無進(jìn)展 而發(fā)光效率高的傳統(tǒng)光源又往往顯色性很差 LED光源的優(yōu)點(diǎn)是既可將發(fā)光效率提高 又可同時(shí)提高顯色性 4 色溫色溫的特性可以用色坐標(biāo) X Y 來量化 根據(jù)X Y值可以得出色溫或相關(guān)色溫 如混合485nm 藍(lán)光 和583nm 橙黃光 可得到色溫大約為4000K的白色光 對(duì)于三色白光源來說 可以調(diào)節(jié)三色的成分來控制光源的色溫 目前通過調(diào)節(jié)LED或熒光粉的波長和帶寬以及相應(yīng)成分可以得到從低到高色溫區(qū)的所用白光 所以對(duì)于半導(dǎo)體照明光源來說 色溫也不是困難 5 壽命壽命有不同方法定義 因光源而異 半導(dǎo)體照明光源現(xiàn)常取光通量流明值下降到初始值的50 或70 的時(shí)間來定義 目前 對(duì)于一些高光通量的LED來說 壽命為5萬 7 5萬小時(shí) 6 穩(wěn)定性一般情況下 光源的光通量和色度 色溫都要求穩(wěn)定 但視照明環(huán)境要求而定 例如娛樂場(chǎng)所的彩色變化動(dòng)態(tài)照明 其亮度和顏色處于變化之中 對(duì)穩(wěn)定性就沒有要求 景觀照明的穩(wěn)定性要求也不高 但對(duì)于展覽館和閱覽室則要求穩(wěn)定性較高 否則會(huì)影響觀察和閱讀效果 7 熱阻熱阻就是器件對(duì)散熱所產(chǎn)生的阻力 通常將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間單位熱功率輸運(yùn)所產(chǎn)