第9講 半導(dǎo)體照明及半導(dǎo)體照明材料

1、2021-8-61 第八講第八講 半導(dǎo)體照明及半導(dǎo)體照明材料半導(dǎo)體照明及半導(dǎo)體照明材料 2021-8-63 一、人類照明的歷史 2021-8-64 火人類的文明 2021-8-65 燈延續(xù)歷史幾千年 2021-8-66 2021-8-67 二、電光源的歷史 2021-8-68 1879年愛迪生發(fā)明白熾燈年愛迪生發(fā)明白熾燈 2021-8-69 熒光燈將電光源帶入新天地熒光燈將電光源帶入新天地 2021-8-610 三、半導(dǎo)體發(fā)光二極管三、半導(dǎo)體發(fā)光二極管 （Light Emitting Diode） 2021-8-611 2021-8-612 將電能直接轉(zhuǎn)化為光能的一種物理現(xiàn)象. 光-電 轉(zhuǎn)換不

2、需經(jīng)過其他物理過程.如:LED發(fā)光屬電 致發(fā)光. 電致發(fā)光電致發(fā)光 光致發(fā)光光致發(fā)光 有大量材料受到紫外線的激發(fā)而輻射出 可見光, 稱為光致發(fā)光 熒光這個詞用來 表示材料受到激發(fā)后立即發(fā)光. 熒光燈 屬光致發(fā)光. 2021-8-613 什么是發(fā)光二極管（什么是發(fā)光二極管（LED）？）？ o 發(fā)光二極管是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料 制成，一層帶過量的制成，一層帶過量的電子，電子，另一層因缺乏電另一層因缺乏電 子而形成帶正電的子而形成帶正電的“空穴空穴”，當有電流通過，當有電流通過 時，時，電子和空穴相互結(jié)合電子和空穴相互結(jié)合并釋放出能量，從并釋放出能量，從

3、而輻射出光。而輻射出光。 2021-8-614 2021-8-6 15 LED發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以 直接把電轉(zhuǎn)化為光。直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片， 晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連 接電源的正極，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)接電源的正極，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo) 體晶片由兩部分組成，一部分是體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，空穴占型半導(dǎo)體，空穴占 主導(dǎo)地位，另一端是主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，主要是電子。

4、兩種型半導(dǎo)體，主要是電子。兩種 半 導(dǎo) 體 連 接 起 來 ， 就 形 成 一 個半 導(dǎo) 體 連 接 起 來 ， 就 形 成 一 個 “ P - N 結(jié)結(jié) ” 。 當電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片當電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片 的時候，電子就會被推向的時候，電子就會被推向P區(qū)，區(qū)， 在在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后 就會以光子的形式發(fā)出能量，這就會以光子的形式發(fā)出能量，這 就是就是LED發(fā)光的原理。發(fā)光的原理。而光的波而光的波 長也就是光的顏色，是由形成長也就是光的顏色，是由形成P- N結(jié)的材料決定的結(jié)的材料決定的。 16 LED具有15中以上的光源優(yōu)點：節(jié)能、環(huán)保、壽命長、

5、安全、低耗、低熱、色光、白光、防震、防水、微型、 亮度高、易調(diào)光、光束集中、減少維修。 LED的優(yōu)點 其主要優(yōu)點其主要優(yōu)點: (1)理論上具有比傳統(tǒng)光源更高的發(fā)光效率，理論上具有比傳統(tǒng)光源更高的發(fā)光效率， 理論上是可以達到理論上是可以達到300(lm/W)。實驗室：。實驗室： 249(lm/W).商用：商用：100(lm/W）。還有很大的上升）。還有很大的上升 空間，從而具有很大的節(jié)能潛力。空間，從而具有很大的節(jié)能潛力。 (2) 壽命很長目前壽命很長目前(30000-50000h),可提高到可提高到 (100000h)，開關(guān)響應(yīng)速度快，不影響其壽命。，開關(guān)響應(yīng)速度快，不影響其壽命。 o (3)

6、可控制帶隙大 小，從而發(fā)出各種 波長的光線，而且 色純度很高，非常 鮮艷，適于裝飾環(huán) 境，美化生活。 2021-8-618 (4)LED是2發(fā)光具 有方向性，可以更 好的控制光線方向， 提高系統(tǒng)的照明效 率。 (5)光源器件較小，使 得布光更為靈活， 而且能夠更好的實 現(xiàn)夜景照明中“只 見其光，不見光源” 的效果。 2021-8-619 20 (6)不需要玻璃外殼,抗沖擊性好，抗震好，不易破碎， 便于裝卸運輸。 (7)能較好的控制發(fā)光光譜組成，無紅外光，無紫外 線，從而能夠很好的用于博物館，展覽館的局部和 重點照明，而不損傷展覽珍品。 (8)光源中無汞，有利環(huán)境保護。 (9)使用抵押直流驅(qū)動，

7、具有負載小，干涉少，安全 可靠的優(yōu)點， (10)亮度可調(diào)，顏色可變，可制成智能燈具。 21 照明成本 o 照明成本包括四個成分： o 一、電光源的初始成本。 o 二、光源所消耗能源的成本。 o 三、燈光源無法工作時更換光源所需勞動成 本。 o 四、電光更換的頻率，由它決定維護成本和 電光源的總成本。 o LED計劃從2005年得29.4降至2010的 6.36、2020年得3.28元。 2021-8-622 LED的發(fā)展歷史的發(fā)展歷史 o 1965年世界上的第一只商用化年世界上的第一只商用化LED誕生，用誕生，用 鍺制成，單價鍺制成，單價45美元，為紅光美元，為紅光LED，發(fā)光效，發(fā)光效 率率

8、0.1 lm/w。 o 1968年利用半導(dǎo)體摻雜工藝使年利用半導(dǎo)體摻雜工藝使GaAsP材料的材料的 LED的發(fā)光效率達到的發(fā)光效率達到1 lm/w, 并且能夠發(fā)出并且能夠發(fā)出 紅光、橙光和黃光。紅光、橙光和黃光。 o 1971年出現(xiàn)年出現(xiàn)GaP材料的綠光材料的綠光LED，發(fā)光效率，發(fā)光效率 也達到也達到1 lm/w。 2021-8-623 LED的發(fā)展歷史的發(fā)展歷史 o 80年代，重大技術(shù)突破，開發(fā)出年代，重大技術(shù)突破，開發(fā)出AlGaAs材材 料的料的LED，發(fā)光效率達到，發(fā)光效率達到 10 lm/w。 o 1990年到年到2001年，年，AlInGaP的高亮度的高亮度LED成成 熟，發(fā)光效率

9、達到熟，發(fā)光效率達到 4050 lm/w。 o 1990年基于年基于SiC材料的藍光材料的藍光LED出現(xiàn)，發(fā)光出現(xiàn)，發(fā)光 效率為效率為0.04 lm/w。 o 90年代中期出現(xiàn)以藍寶石為襯底的年代中期出現(xiàn)以藍寶石為襯底的GaN藍光藍光 LED，到目前仍然為該技術(shù)。到目前仍然為該技術(shù)。 2021-8-624 四、半導(dǎo)體發(fā)光材料體系半導(dǎo)體發(fā)光材料體系 2021-8-625 半導(dǎo)體材料的分代半導(dǎo)體材料的分代 o 以以硅硅Si為代表的半導(dǎo)體材料為第一代半導(dǎo)體為代表的半導(dǎo)體材料為第一代半導(dǎo)體 材料。材料。 o 以以砷化鎵砷化鎵GaAs為代表的化合物半導(dǎo)體材料為代表的化合物半導(dǎo)體材料 為第二代半導(dǎo)體材料。

10、為第二代半導(dǎo)體材料。 o 以以氮化鎵氮化鎵GaN為代表的寬帶隙化合物半導(dǎo)體為代表的寬帶隙化合物半導(dǎo)體 材料為第三代半導(dǎo)體材料材料為第三代半導(dǎo)體材料 。 2021-8-626 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、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展，發(fā)光器件也絕不磷化鎵、磷砷化鎵等材料的研究進展，發(fā)光器件也絕不 可能會取得今天這樣大的發(fā)展，今后器件性能的提高也可能會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展。很大程度取決于材料的進展。 成為半導(dǎo)體發(fā)光材料的條件：成為半導(dǎo)體發(fā)光材料的條件： 1 1、半導(dǎo)體帶隙寬度與

11、可見和紫外光子能量相匹配。、半導(dǎo)體帶隙寬度與可見和紫外光子能量相匹配。 2 2、只有直接帶隙半導(dǎo)體才有較高的輻射復(fù)合概率。、只有直接帶隙半導(dǎo)體才有較高的輻射復(fù)合概率。 3 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、還要求有好的晶體完整性、可以用合金方法調(diào)節(jié)帶隙、 有可用的有可用的p p型和型和n n型材料，以及可以制備能帶形狀預(yù)先設(shè)型材料，以及可以制備能帶形狀預(yù)先設(shè) 計的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)構(gòu)。計的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)構(gòu)。 2021-8-627 GaN半導(dǎo)體材料特點半導(dǎo)體材料特點 o 寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，有很高的禁帶寬寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，有很高的禁帶寬 度（度（2.36.2eV)

12、，可以覆蓋紅、黃、綠、藍、，可以覆蓋紅、黃、綠、藍、 紫和紫外光譜范圍紫和紫外光譜范圍 ，是到目前為止其它任何是到目前為止其它任何 半導(dǎo)體材料都無法達到的半導(dǎo)體材料都無法達到的。 o 高頻特性，可以達到高頻特性，可以達到300GHz（硅為（硅為10GHz， 砷化鎵為砷化鎵為80GHz）。）。 2021-8-628 o 高溫特性，在高溫特性，在300正常工作（非常適用于正常工作（非常適用于 航天、軍事和其它高溫環(huán)境）航天、軍事和其它高溫環(huán)境） o 耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境）耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境） o 高壓特性（耐沖擊，可靠性高）高壓特性（耐沖擊，可靠性高） o 大功率（對

13、通訊設(shè)備是非?？释模┐蠊β剩▽νㄓ嵲O(shè)備是非?？释模?GaN半導(dǎo)體材料特點半導(dǎo)體材料特點 2021-8-629 GaN外延片生產(chǎn)外延片生產(chǎn) o 通過通過MOCVD進行進行GaN單晶膜外延生長單晶膜外延生長: 1)用藍寶石為襯底材料用藍寶石為襯底材料 2)用高純氨氣提供氮源用高純氨氣提供氮源 3)用金屬有機源提供鎵、銦、鋁源用金屬有機源提供鎵、銦、鋁源 4)通過金屬有機源化學(xué)氣相沉積的方法通過金屬有機源化學(xué)氣相沉積的方法 進行生長進行生長 2021-8-630 方大集團于方大集團于2001年年9月在國內(nèi)第一個月在國內(nèi)第一個 生產(chǎn)出生產(chǎn)出GaN基基LED外延片外延片 2021-8-631 方大集

14、團方大集團6X2 inchMOCVD設(shè)備設(shè)備 2021-8-632 GaN基基LED芯片生產(chǎn)芯片生產(chǎn) o 通過幾十道工序，將通過幾十道工序，將GaN外延片加工成為外延片加工成為 LED芯片，標準芯片的尺寸為芯片，標準芯片的尺寸為0.3X0.3mm， 一片外延片可以加工一片外延片可以加工10000多顆多顆LED芯片芯片 2021-8-633 GaN基藍綠光基藍綠光LED芯片芯片 2021-8-634 GaN基大功率藍光基大功率藍光LED芯片芯片 2021-8-635 GaN半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用 o 藍、綠光藍、綠光LED 全彩色大屏幕全彩色大屏幕 交通信號燈交通信號燈 背光源、儀

15、器儀表指示燈背光源、儀器儀表指示燈 景觀光源景觀光源 2021-8-636 藍、綠、白光藍、綠、白光LED 2021-8-637 室外大室外大LED全彩色屏幕全彩色屏幕 2021-8-638 LED交通信號燈交通信號燈 2021-8-639 城市建筑裝飾燈光工程城市建筑裝飾燈光工程 2021-8-640 花旗銀行大廈花旗銀行大廈 2021-8-641 GaN半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用 o 藍光激光器（藍光激光器（BLD） 藍光藍光DVD，雙面雙密度容量為，雙面雙密度容量為20G，取代現(xiàn)，取代現(xiàn) 有紅光有紅光DVD，是以后數(shù)字電視存儲的必由之路，是以后數(shù)字電視存儲的必由之路 激光打印和

16、顯示，生物醫(yī)療儀器和設(shè)備激光打印和顯示，生物醫(yī)療儀器和設(shè)備 ，光譜測，光譜測 量系統(tǒng)量系統(tǒng) 可用于軍事領(lǐng)域，可用于軍事領(lǐng)域，450550nm的藍的藍-綠光波綠光波 段對海水是透光的，所以段對海水是透光的，所以BLD可通過空間衛(wèi)星、可通過空間衛(wèi)星、 機載平臺直接用來對海底潛艇通信，大大提高潛艇機載平臺直接用來對海底潛艇通信，大大提高潛艇 的隱蔽性和保密性。這是軍事部門長久渴望實現(xiàn)的的隱蔽性和保密性。這是軍事部門長久渴望實現(xiàn)的 技術(shù)手段。技術(shù)手段。 2021-8-642 中國漢級核潛艇中國漢級核潛艇 2021-8-643 索尼全球首臺藍光索尼全球首臺藍光DVD刻錄機刻錄機BDZ-S7 2021-8

17、-644 五、半導(dǎo)體照明的來臨 2021-8-645 優(yōu)異的性能優(yōu)異的性能 o白光白光LED 固體冷光源，效率高，綠色環(huán)保固體冷光源，效率高，綠色環(huán)保 壽命長，可以達到壽命長，可以達到10萬小時（連續(xù)萬小時（連續(xù)10年）年） 低電壓工作低電壓工作 是照明領(lǐng)域的又一次革命是照明領(lǐng)域的又一次革命 2021-8-646 白光白光LED的構(gòu)成方式的構(gòu)成方式 o 基于藍光基于藍光LED，通過熒光粉激發(fā)一個黃光，通過熒光粉激發(fā)一個黃光， 組合成為藍光組合成為藍光 o 通過紅、綠、藍三種通過紅、綠、藍三種LED組合成為白光組合成為白光 o 基于紫外光基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為，通過三基色粉，組

18、合成為 白光白光 2021-8-647 美國國家半導(dǎo)體照明計劃美國國家半導(dǎo)體照明計劃 o 從從2000年起國家投資年起國家投資5億美元億美元 o 到到2010年年 55%的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo) 體燈取代體燈取代 o 每年節(jié)電達每年節(jié)電達350億美元億美元 o 2015年形成每年年形成每年500億美元的半導(dǎo)體照明億美元的半導(dǎo)體照明 產(chǎn)業(yè)市場產(chǎn)業(yè)市場 2021-8-648 日本日本21世紀照明計劃世紀照明計劃 o 投入資金投入資金50億日元億日元 o 到到2007年年 30%的白熾燈被置換為半導(dǎo)體的白熾燈被置換為半導(dǎo)體 照明燈照明燈 2021-8-649 歐盟的彩虹計劃歐盟的

19、彩虹計劃 o 應(yīng)用半導(dǎo)體照明實現(xiàn)：應(yīng)用半導(dǎo)體照明實現(xiàn)： 高效高效 節(jié)能節(jié)能 不使用有害環(huán)境的材料不使用有害環(huán)境的材料 模擬自然光模擬自然光 2021-8-650 韓國韓國“固態(tài)照明計劃固態(tài)照明計劃” o 2004年年-2008年韓國政府計劃投入年韓國政府計劃投入1億美億美 元，企業(yè)提供元，企業(yè)提供30%的配套資金，近期開始實的配套資金，近期開始實 施，施，2008年年LED的發(fā)光效率達到的發(fā)光效率達到80lm/W。 2021-8-651 中國專家的呼吁中國專家的呼吁 o 我國有近百名專家（兩院院士）聯(lián)名向國務(wù)我國有近百名專家（兩院院士）聯(lián)名向國務(wù) 院呼吁，以三峽工程的院呼吁，以三峽工程的5%費

20、用，支持我國費用，支持我國 的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，用的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，用5-10年的時間的努力，年的時間的努力， 1/3照明應(yīng)用半導(dǎo)體照明，每年可以節(jié)約的照明應(yīng)用半導(dǎo)體照明，每年可以節(jié)約的 電量電量1000億度，多于一個三峽水電站的發(fā)億度，多于一個三峽水電站的發(fā) 電量（電量（800億度）億度） o 國家啟動國家半導(dǎo)體照明工程國家啟動國家半導(dǎo)體照明工程 2021-8-652 六、半導(dǎo)體照明發(fā)展現(xiàn)狀 2021-8-653 發(fā)展速度超過人們的預(yù)測發(fā)展速度超過人們的預(yù)測 o 技術(shù)進步迅速技術(shù)進步迅速 o 市場的發(fā)展速度領(lǐng)先于技術(shù)的發(fā)展市場的發(fā)展速度領(lǐng)先于技術(shù)的發(fā)展 o 政府與民間共有熱情政府與民間共有熱情

21、 2021-8-654 中國在此領(lǐng)域的發(fā)展中國在此領(lǐng)域的發(fā)展 o 有多家公司參與有多家公司參與 o 在半導(dǎo)體領(lǐng)域中與國際水平最接近，基本上在半導(dǎo)體領(lǐng)域中與國際水平最接近，基本上 與國際水平同步發(fā)展，有部分領(lǐng)先與國際水平同步發(fā)展，有部分領(lǐng)先 o 方大集團在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，特別是大功方大集團在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，特別是大功 芯片芯片 2021-8-655 部分領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用部分領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用 o 潛水燈潛水燈 o 防爆燈防爆燈 o 高檔汽車的照明燈（奔馳、寶馬、奧迪高檔汽車的照明燈（奔馳、寶馬、奧迪A8 等汽車）等汽車） o 飛機和高檔汽車的閱讀燈飛機和高檔汽車的閱讀燈 2021-8-656 2021-8-657 已經(jīng)走近