新能源材料課件：第七章 半導(dǎo)體照明發(fā)光材料

1、半導(dǎo)體照明發(fā)光材料 白熾燈：光效較低，而且壽命短，易損壞。 熒光燈：較白熾燈可以省電，但光效不高，存在電 磁污染、使用壽命短、易碎等缺點(diǎn)，其主要組成部分汞還會(huì)造成環(huán)境污染。HID（高強(qiáng)度氣體放電）燈：光效難提高，成本高、維護(hù)困難、壽命短、電磁輻射。 近幾十年來(lái)，科研工作者提出新型光源要符合三個(gè)條件：高效、節(jié)能；材料對(duì)環(huán)境無(wú)害；模擬自然光，顯色指數(shù)接近100。 半導(dǎo)體照明是指用全固態(tài)發(fā)光器件即發(fā)射白色的發(fā)光二極管白光LED（light emitting diode）作為光源的照明技術(shù)。它利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，具有高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、易維護(hù)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。白光LED的發(fā)展，是發(fā)光

2、材料的研究與應(yīng)用進(jìn)入一個(gè)新的研究階段。 由于激發(fā)源是短波紫外、長(zhǎng)波紫外或紫光發(fā)射的半導(dǎo)體，且輸出功率高，因此對(duì)發(fā)光材料性能會(huì)提出特定的要求，而針對(duì)這些特定要求開(kāi)展白光LED專用發(fā)光材料的研究成為新的研究課題。 發(fā)光二極管LED是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的固體半導(dǎo)體發(fā)光器件。半導(dǎo)體照明就是將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體結(jié)合，通過(guò)空穴與電子的復(fù)合產(chǎn)生激子進(jìn)而激子躍遷發(fā)光。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以與當(dāng)今固體半導(dǎo)體照明匹配而產(chǎn)生白光。LED的發(fā)展歷史羅塞夫lossew.o.w在1923年就發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體SiC中偶然形成的p-n結(jié)的光發(fā)射1965年世界上的第一只商用化LED誕生，用鍺制成，單價(jià)45美元，為紅光LED，發(fā)

3、光效率0.1 lm/w1968年利用半導(dǎo)體攙雜工藝使GaAsP材料的LED的發(fā)光效率達(dá)到1 lm/w, 并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃光1971年出現(xiàn)GaP材料的綠光LED，發(fā)光效率也達(dá)到1 lm/w80年代，重大技術(shù)突破，開(kāi)發(fā)出AlGaAs材料的LED，發(fā)光效率達(dá)到 10 lm/w1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，發(fā)光效率達(dá)到 4050 lm/w1990年基于SiC材料的藍(lán)光LED出現(xiàn)，發(fā)光效率為0.04 lm/w90年代中期出現(xiàn)以藍(lán)寶石為襯底的GaN藍(lán)光LED，到目前仍然采用該技術(shù)LED的結(jié)構(gòu)及工作原理p電極（+）p型隔離層有源層n型隔離層n電極（-）n型襯底光LED的

4、結(jié)構(gòu)截面圖 圖為L(zhǎng)ED的結(jié)構(gòu)截面圖。要使LED發(fā)光，有源層的半導(dǎo)體材料必須是直接帶隙材料，越過(guò)帶隙的電子和空穴能夠直接復(fù)合發(fā)射出光子。為了使器件有好的光和載流子限制，大多采用雙異質(zhì)結(jié)（）結(jié)構(gòu)。 LED的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱為pn結(jié)。其基本的工作原理是一光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。當(dāng)一個(gè)正向偏壓施加于pn結(jié)勢(shì)壘的降低，p區(qū)的正電荷將向n區(qū)擴(kuò)散，n區(qū)的電子也向p區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)在倆個(gè)區(qū)域形成非平衡電荷的積累。對(duì)于一個(gè)真實(shí)的pn結(jié)型器件，通常p區(qū)的載流子濃度遠(yuǎn)大于n區(qū)，致使n區(qū)非平衡空穴的積累遠(yuǎn)大于p區(qū)的電子積累（對(duì)于pn結(jié)，情況正好相反）。 由于電流注入產(chǎn)生的少數(shù)載流子是不穩(wěn)定的，

5、對(duì)于pn結(jié)系統(tǒng)，注入價(jià)帶中的非平衡空穴要與導(dǎo)帶中的電子復(fù)合，其中多余的能量將以光的形式向外輻射。LED光源特點(diǎn)1.工作壽命長(zhǎng)：LED亮度半衰期通常可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。2.耗電低：同等亮度下，耗電較小，大幅度降低能耗。3.響應(yīng)時(shí)間快：LED一般可在幾十納秒內(nèi)響應(yīng)，因此是一種高速器件。4.體積小、質(zhì)量輕、耐沖性：這是半導(dǎo)體固體器件的固有特點(diǎn)。5.易于調(diào)光、調(diào)色，可控性大：可以通過(guò)流過(guò)電流的變化控制亮度，也可以通過(guò)不同波長(zhǎng)LED的配置實(shí)現(xiàn)色彩的變化與調(diào)節(jié)。并且，LED光源的應(yīng)用，原則上不受空間的限制，可塑性極強(qiáng)，可以任意延伸，實(shí)現(xiàn)積木式拼裝。6.綠色、環(huán)保：用LED制作的光源不存在諸如水銀、鉛等環(huán)境污染

6、物。照明用LED特性 LED照明光源的主流將是高亮度的白光LED。目前，已商品化的白光LED多以藍(lán)光單芯片加上YAG黃光熒光粉混合產(chǎn)生白光。 未來(lái)被看好的是三波長(zhǎng)白色LED，即以無(wú)機(jī)紫外光芯片加紅、藍(lán)、綠、三種顏色熒光粉混合產(chǎn)生白光，他將取代熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈泡及LED背光源等市場(chǎng)。 LED性能的光電參數(shù)如表所示。性能用途顯示照明功能輻射光性能亮度或發(fā)光強(qiáng)度、光束角和發(fā)光強(qiáng)度分步、色品坐標(biāo)、色純度、主波長(zhǎng)有效光通量、發(fā)光效率（lm/W）、中心強(qiáng)度分布、色品坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)有效輻射功率、有效輻射照度、輻射強(qiáng)度分布、中心波長(zhǎng)、分值波長(zhǎng)、帶寬電性能正向電壓、正向電流、反向擊穿電壓、反向漏電

7、流光物質(zhì)安全性能視網(wǎng)膜藍(lán)光危害曝幅率，眼睛的近紫外危害曝幅值表LED性能的光電參數(shù) 通用照明領(lǐng)域?qū)Π坠釲ED的光電性能的基本要求如下： 發(fā)光效率：約 100 lm/W（IF=350 mA）； 光通量：約 500 lm（=發(fā)光效率正向電壓350 mA） 色溫：3 0008 000 K； 顯色指數(shù)：大于 80； 壽命：15 萬(wàn)小時(shí)。產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)成 襯底是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石，材料的選用直接決定了LE芯片的制造路線。用于商品化的有藍(lán)寶石和碳化硅襯底。 LED產(chǎn)業(yè)鏈大致分為原材料（襯底）、外延片、芯片、封裝、及模塊應(yīng)用五個(gè)部分。 外延片和芯片是LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)的核心。 外延片是在襯底上生長(zhǎng)出的半導(dǎo)

8、體薄膜，薄膜主要由p型、量子阱、n型三個(gè)部分構(gòu)成； 芯片是LED的核心組件，就是p-n結(jié)，主要功能是把電能轉(zhuǎn)化為光能。 封裝是指發(fā)光芯片的封裝，要求能夠保護(hù)燈芯且還要能夠透光，其作用是完成輸出電信號(hào)、保護(hù)燈芯正常工作。 LED封裝工藝一般采用銀漿固晶、焊線、環(huán)氧樹(shù)脂灌膠、烘箱烘干、切筋、測(cè)試分檔、包裝等工藝。 LED應(yīng)用主要包括LED顯示、照明器件、交通信號(hào)燈、航標(biāo)燈光源、警示燈飾、車燈及通用照明等產(chǎn)業(yè)。半導(dǎo)體發(fā)光材料 半導(dǎo)體發(fā)光材料是發(fā)光器件的基礎(chǔ)。 在半導(dǎo)體的發(fā)展歷史上，1990年代之前，作為第一代的半導(dǎo)體材料以硅（包括鍺）材料為主元素的半導(dǎo)體占統(tǒng)治地位。 隨著信息時(shí)代的來(lái)臨，以砷化鎵（G

9、aAs）為代表的第二代化合物半導(dǎo)體材料顯示了其巨大的優(yōu)越性。 半導(dǎo)體發(fā)光材料的發(fā)光范圍覆蓋了紫外、可見(jiàn)光到紅外的很寬范圍的光譜。 在具體應(yīng)用中，根據(jù)需要，為了獲得特定波長(zhǎng)范圍的自發(fā)或受激輻射光波，則需選擇合適的半導(dǎo)體發(fā)光材料。 半導(dǎo)體材料多元固溶體的帶隙隨成分的比例而變化，可以獲得不同的發(fā)射波長(zhǎng)。 以氮化物（包括SiC、ZnO等寬禁帶半導(dǎo)體）為代表的第三代半導(dǎo)體材料，由于其優(yōu)越的發(fā)光特征正式成為最重要的半導(dǎo)體材料之一。 今后器件性能的提高也很大程度上取決于材料的發(fā)展。成為半導(dǎo)體發(fā)光材料的條件包括： 半導(dǎo)體帶隙寬度與可見(jiàn)光和紫外光光子能量相匹配； 只有直接帶隙半導(dǎo)體才有較高的輻射復(fù)合概率 ； 要

10、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)。砷化鎵（GaAs） 砷化鎵是黑灰色固體，屬閃鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為 5.6510-10 m，熔點(diǎn)為 1 237 ，禁帶寬度 1.4 eV，是典型的直接躍遷型材料，發(fā)射的波長(zhǎng)在 900 nm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(zhǎng)用的襯底材料。其發(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。他們被大量應(yīng)用于遙控器和光電耦合器件。 砷化鎵是半導(dǎo)體材料中兼具多方面優(yōu)點(diǎn)的材料，但用它制作的晶體二極管的發(fā)達(dá)倍數(shù)小，導(dǎo)熱性差，不適宜

11、制作大功率器件。 雖然砷化鎵具有優(yōu)越的性能，但由于它在高溫下分解，故要生長(zhǎng)理想化學(xué)配比的高純度單晶材料，技術(shù)上要求比較高。氮化鎵（GaN） GaN在大氣壓下一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它的一個(gè)原胞中有4個(gè)原子，原子體積大約為GaAs的一半。 GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)約為 1 700 。 它是一種寬禁帶半導(dǎo)體（Eg=3.4 eV），自由激子束縛能為 25 meV，具有寬的直接帶隙，GaN是良好的光電子材料，可以實(shí)現(xiàn)從紅外到紫外全可見(jiàn)光范圍的光發(fā)射和紅、黃、藍(lán)、三原色具備的全光固體顯示。 作為一種寬帶半導(dǎo)體材料，GaN能夠激發(fā)藍(lán)光的獨(dú)特物理和光電屬性使其成為化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域最熱

12、的研究領(lǐng)域，近年來(lái)在研究和商用器件方面的快速發(fā)展更使得GaN基相關(guān)產(chǎn)業(yè)充滿活力。 當(dāng)前，GaN基的近紫外、藍(lán)光、綠光發(fā)光二極管已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，激光器和光探測(cè)器的研究也方興未艾。磷化鎵（GaP） GaP是人工合成的化合物半導(dǎo)體材料，是一種橙紅色透明晶體。 磷化鉀的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦型，晶格常數(shù)為（5.4470.06），化學(xué)鍵是以共價(jià)鍵為主的混合鍵，其離子鍵成分約為 20%，300 K時(shí)能隙為 2.26 eV，屬間接躍遷半導(dǎo)體。 磷化鎵為單晶材料和外延材料。工業(yè)生產(chǎn)的襯底單晶均為滲入硫、硅雜質(zhì)的n型半導(dǎo)體。 磷化鎵外延材料是在磷化鎵單晶襯底上通過(guò)液相外延或氣相外延加擴(kuò)散生長(zhǎng)的方法制得，多用于制造發(fā)光二極

13、管。 液相外延材料可制造紅色、黃綠色、純綠色光的發(fā)光二極管，氣相外延加擴(kuò)散生長(zhǎng)的材料，可制造黃色、黃綠色的發(fā)光二極管。氧化鋅（ZnO） ZnO具有鉛鋅礦結(jié)構(gòu)，a =0.325 33 nm，c =0.520 73 nm，z =2，空間群為C46-P63mc。 作為一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，其室溫禁帶寬帶為 3.37 ev，自由激子束縛能為 60 meV。ZnO與GaN的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常量都很相似，晶格失配度只有 2.2 %（沿方向）、熱膨脹系數(shù)差異小，可以解決目前 GaN 生長(zhǎng)困難的難題。 隨著光電技術(shù)的進(jìn)步，ZnO 作為第三代半導(dǎo)體以及新一代藍(lán)、紫光材料，引起了人們的廣泛關(guān)注，特別是 p 型摻雜技

14、術(shù)的突破，凸顯了 ZnO 在半導(dǎo)體照明工程中的重要地位。 尤其與 GaN 相比，ZnO 具有很高的激子結(jié)合能（60 mev），遠(yuǎn)大于 GaN（21 meV）的激子結(jié)合能，具有較低的光致發(fā)光和受激輻射閾值。 本征 ZnO 是一種 n 型半導(dǎo)體，必須通過(guò)受主摻雜才能實(shí)現(xiàn) p 型轉(zhuǎn)變，但是由于氧化鋅中存在較多本征施主缺陷，對(duì)受主摻雜產(chǎn)生自補(bǔ)償作用，并且受主雜質(zhì)固溶度很低，因此，p 型 ZnO 的研究已經(jīng)成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。碳化硅（SiC） SiC 的晶體結(jié)構(gòu)可以包括立方（3C）、六方（2H、4H、6H）以及菱方（15R、21R）等。它們?cè)谀芰可虾芙咏Y(jié)構(gòu)上由六角雙層的不同堆積形成。 最常見(jiàn)的形式

15、是 3C（閃鋅礦結(jié)構(gòu) ZB）。目前器件上用得最多的是 3C - Si、4H- SiC和6H-SiC。 通常對(duì)具有相對(duì)最小帶隙的3C - SiC（2.4 ev）直至具有最大帶隙的 2H - SiC（3.35 eV）的能帶結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，它們所有的價(jià)帶-導(dǎo)帶躍遷都有聲子參與，也就是說(shuō)這些類型的 SiC 半導(dǎo)體都是間接帶隙半導(dǎo)體。 SiC 是目前發(fā)展最為成熟的寬帶半導(dǎo)體材料。它有效的發(fā)光來(lái)源于通過(guò)雜質(zhì)能級(jí)的間接復(fù)合過(guò)程。 因此，摻入不同的雜質(zhì)，可以改變發(fā)光波長(zhǎng)，其范圍范圍覆蓋了從紅到紫的各種色光。 SiC 藍(lán)光 LED 是唯一的商品化的 SiC 器件，各種 SiC 多型體的 LED 覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光和

16、近紫外光區(qū)域。 6H - SiC 藍(lán)光二極管是 n - B 雜質(zhì)對(duì)復(fù)合發(fā)光。 SiC 作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表，無(wú)論是單晶襯底質(zhì)量、導(dǎo)電的外延層還是高質(zhì)量的介質(zhì)絕緣膜和器件工藝等方面都比較成熟，或有可以借鑒的 SiC 器件工藝作參考. 由此可以預(yù)測(cè)在未來(lái)的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，SiC 將擔(dān)任主角，獨(dú)霸功率和微電子器件市場(chǎng)。半導(dǎo)體照明發(fā)光材料 實(shí)現(xiàn)白光 LED 有多種方案，而光轉(zhuǎn)換白光 LED 是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的主流方案。 白光 LED 的關(guān)鍵材料高性能光轉(zhuǎn)換熒光體的研發(fā)成為熱點(diǎn)，因?yàn)樗鼪Q定白光 LED 的光電重要特性和參數(shù)。 目前實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明的有以下三種主要方法： （1）采用藍(lán)光 LED

17、激發(fā)黃光熒光粉，實(shí)現(xiàn)二元混色白光； （2）利用 UVLED 激發(fā)三基色熒光粉，有熒光粉發(fā)出的光合成白光； （3）基于三基色 LED 芯片合成白光。 被廣泛用于制作白光 LED 中的熒光體是 YAG：Ce體系石榴石黃色發(fā)光材料，除此之外，一些為白光 LED 中熒光體需求的新硅酸鹽、鋁酸鹽及氮（氧）化物熒光體等被陸續(xù)地研發(fā)出來(lái)。 激活離子主要集中在 Eu2+及Ce3+，而Mn2+、Eu3+等用作白光 LED 發(fā)光材料的紅光發(fā)射組分離子也有很多報(bào)道。鈰摻雜釔鋁石榴石 1993年，日本日亞化學(xué)公司的Nakamura 首次成功研制出氮化物 LED，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)光半導(dǎo)體發(fā)光，并于1996年以黃光系列的釔鋁石榴

18、石熒光粉配合藍(lán)光發(fā)光二極管，實(shí)現(xiàn)了白光 LED。 由此開(kāi)始，白光 LED 得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是作為新一代無(wú)污染的綠色固體節(jié)能照明光源，引起了各國(guó)科研機(jī)構(gòu)的高度重視，我國(guó)也將此列入了 863 計(jì)劃資助項(xiàng)目。1YAG 的晶體結(jié)構(gòu)及性能 釔鋁石榴石的化學(xué)式為Y3Al5O12，或?qū)憺?Y2O35Al2O3，其中Y2O3為57.06wt%，Al2O3為42.94wt%，是一種綜合性能（包括：光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)）優(yōu)良的激光基質(zhì)。 因?yàn)镹d:YAG具有較高的熱導(dǎo)率和抗光傷閾值，同時(shí)三價(jià)釹離子取代YAG中的釔離子無(wú)需電荷補(bǔ)償而提高激光輸出效率，使它成為用量最多、最成熟的激光材料。 此外，為了尋找新的激光波長(zhǎng)

19、，對(duì)YAG基質(zhì)進(jìn)行了Er、Ho、Tm、Cr等的單獨(dú)或組合摻雜，獲得了數(shù)種波長(zhǎng)的激光振蕩。白光LED用發(fā)光材料 作為一種發(fā)光材料，熒光粉的發(fā)光性能與晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的晶體場(chǎng)理論和能帶理論有著微妙的關(guān)系，特別是熒光發(fā)光不可缺少的激活劑離子與其周圍晶體場(chǎng)環(huán)境、電子環(huán)境、電子環(huán)境和晶格環(huán)境有微妙的作用，導(dǎo)致了或好或壞的熒光發(fā)光性能。影響熒光粉性能的主要因素有： a.熒光粉對(duì)所取的原料要求嚴(yán)格。選擇純度高、顆粒均勻、形貌好的氧化鋁，對(duì)制備性能優(yōu)良的 YAG 熒光粉具有重要意義； b.原料的配比組成的均勻性和活性對(duì)熒光粉的性能也有重要的影響；影響熒光粉性能的主要因素有： c.燒結(jié)工藝及后處理對(duì)熒

20、光粉的影響最重要。在合成反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)溫度和合成溫度共同決定了產(chǎn)物的粒徑和晶型。在熒光粉合成中，通過(guò)精細(xì)地控制合成條件，盡量減少后處理環(huán)節(jié)，獲得粒度細(xì)小且結(jié)晶完好的熒光體意義重大。白光LED新體系 近幾年來(lái)，為了滿足人們對(duì)白光 LED 的需求，新的硅酸鹽體系及含氮體系發(fā)光材料被陸續(xù)研發(fā)出來(lái)。 除此之外，還包括 sialon 基質(zhì)發(fā)光材料，由于發(fā)光性能更好，顆粒形貌更佳，對(duì)發(fā)光性能的研究則主要集中于 - sialon， - sialon 基質(zhì)發(fā)光材料也有不少研究。硅酸鹽發(fā)光材料 以硅酸鹽為基質(zhì)的發(fā)光材料由于具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，已經(jīng)成為一類應(yīng)用廣泛的重要的光致發(fā)光材料和陰極射線發(fā)光材

21、料。同時(shí)硅酸鹽發(fā)光材料具有較寬的激發(fā)光譜，可以被紫外線、近紫外線、藍(lán)光激發(fā)出各種顏色的光，成為白色 LED 熒光粉的重要組成部分，其中以二價(jià)銪激活的焦硅酸鹽、含鎂正硅酸鹽及堿土正硅酸鹽為主的發(fā)光材料。硅酸鹽發(fā)光材料簡(jiǎn)介 硅酸鹽體系發(fā)光材料主要包括堿土正硅酸鹽、含鎂正硅酸鹽及焦硅酸鹽等。該體系發(fā)光材料的制備方法與其他熒光材料制備方法大體一樣，如固相合成法、溶膠-凝膠法、燃燒法等。 硅酸鹽發(fā)光材料一般具有較好的分散性及結(jié)晶性，具有激光波長(zhǎng)較寬、發(fā)光顏色極為豐富、物理化學(xué)性能穩(wěn)定和光轉(zhuǎn)化效率高、結(jié)晶透光性好等應(yīng)用特點(diǎn)。 硅酸鹽基質(zhì)發(fā)光材料是一類全新的材料，是最可能超越 YAG 的新發(fā)光材料的體系，這

22、已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。其主要包括二元硅酸鹽體系、三元硅酸鹽體系及其他硅酸鹽體系。氮化物發(fā)光材料 氮化物材料化學(xué)和熱穩(wěn)定性高，且在可見(jiàn)光范圍內(nèi)有較強(qiáng)的吸收光譜，表現(xiàn)出優(yōu)異的光致發(fā)光性質(zhì)，已發(fā)展成為很有前景的發(fā)光材料。它們是制備白光 LED 較合適的基質(zhì)材料，吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。 氮化物一般以 MexNy（Me = 金屬元素）表示氮的化合物。氮化物陶瓷在某些方面彌補(bǔ)了氧化物的弱電，因而成為備受關(guān)注的特殊陶瓷材料。氮化物種類繁多，但都不是天然礦物，而是人工合成材料。以共價(jià)鍵結(jié)合的高強(qiáng)度氮化物陶瓷材料作為工程材料十分引人矚目。 氮化硅陶瓷晶體結(jié)構(gòu)通常有和倆種晶型，其中為顆粒狀晶體，為針狀或長(zhǎng)柱

23、狀晶體。高溫?zé)Y(jié)后相通常向相轉(zhuǎn)變，相是熱力學(xué)穩(wěn)定相，存在液相時(shí)，相通過(guò)固溶-析出過(guò)程可轉(zhuǎn)變?yōu)橄?，從而制備出高性能的氮化硅陶瓷。氮化物基質(zhì)白光LED用發(fā)光材料研究進(jìn)展 氮化物基質(zhì)白光 LED 用發(fā)光材料包括純硅氮化物基質(zhì)發(fā)光材料、硅氮氧化物基質(zhì)發(fā)光材料及 sialon 基質(zhì)材料。 Li-sialon:Eu2+的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜無(wú)機(jī)發(fā)光材料基質(zhì)摻雜物激活劑共激活劑電荷補(bǔ)償劑等敏化劑 基質(zhì) 基質(zhì)是熒光粉的主要組成部分，主要起禁錮激活離子或吸收能量的作用。由于基質(zhì)中結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的不同，對(duì)基質(zhì)中特定發(fā)光中心的晶體場(chǎng)環(huán)境也不同，可以使某些發(fā)光躍遷增強(qiáng)或減弱，還可以使某些發(fā)光躍遷產(chǎn)生劈裂。因此，基質(zhì)對(duì)熒光

24、材料的發(fā)光性能有重要的影響。 目前正在研究的紅色熒光粉的基質(zhì)可以分為：硫化物體系、氧化物體系、硫氧化物體系、釩酸鹽體系、鈦酸鹽體系、硅酸鹽體系、鉬酸鹽體系等。 激活劑 激活劑在熒光粉中的含量非常少，一般只占熒光粉體系的萬(wàn)分之幾到百分之幾，但激活劑在熒光粉的發(fā)光中起著決定性作用。 熒光粉中可能只有一種激活離子，也有可能存在兩種或多種激活離子。對(duì)于只有一種激活離子的熒光粉，激活離子作為發(fā)光中心存在，它與基質(zhì)晶格或同離子之間發(fā)生能量傳遞。 敏化劑 對(duì)于有多激活離子的熒光粉，有的激活離子并不能起到發(fā)光 中心的作用，但它可以將自己吸收的能量傳遞給發(fā)光中心，改善熒光粉的發(fā)光強(qiáng)度和余輝時(shí)間；這種激活離子稱為

25、敏化劑。 激活劑并不是在所有的基質(zhì)中都可以作為發(fā)光中心，只是相對(duì)于某種發(fā)光基質(zhì)而言的； 敏化劑并不是對(duì)所有的激活劑具有敏化作用，也只是相對(duì)于某種基質(zhì)中的某種激活劑而言的。 電荷補(bǔ)償劑 由于離子電荷數(shù)存在差異，激活離子進(jìn)入基質(zhì)晶格后可能會(huì)引起電荷的增加后減少，并產(chǎn)生電荷缺陷。 為了補(bǔ)償激活離子進(jìn)入基質(zhì)晶格所引起的電荷變化，以有利于激活離子進(jìn)入基質(zhì)晶格和不影響激活離子的發(fā)光性能，常常在基質(zhì)晶格中引入電荷補(bǔ)償劑。 例如在鈦酸鹽基質(zhì)熒光材料中，常用的電荷補(bǔ)償劑一般為堿金屬陽(yáng)離子和鋁離子等。稀土熒光無(wú)機(jī)發(fā)光材料 稀土元素的原子具有未充滿的受到外界屏蔽的4f5d電子組態(tài)，因此有豐富的電子能級(jí)和長(zhǎng)壽命激發(fā)態(tài)

26、，能級(jí)躍遷多達(dá)20余萬(wàn)個(gè)，可以產(chǎn)生多種的輻射吸收的發(fā)射，構(gòu)成廣泛的發(fā)光和激發(fā)材料。 稀土化合物的發(fā)光基于它們的4f電子在f-f組態(tài)之間或f-d組態(tài)之間的躍遷。 具有未充滿的4f殼層的稀土原子或離子，其光譜大約有30000條可觀察到的譜線，它們的發(fā)射從紫外光、可見(jiàn)光到紅外光區(qū)的各種波長(zhǎng)的電磁輻射。 稀土離子豐富的能級(jí)和4f電子躍遷性能，使稀土成為巨大的發(fā)光寶庫(kù)。稀土發(fā)光材料具有很多特點(diǎn)：1. 發(fā)光譜帶摘，色純度高，色彩鮮艷；2. 光吸收能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換效率高；3. 發(fā)射波長(zhǎng)分布區(qū)域?qū)挘?. 熒光壽命從納秒跨越到毫秒達(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí)；5. 物理和化學(xué)性能穩(wěn)定，耐高溫，可承受大功率電子束6. 高能輻射和強(qiáng)紫

27、外光的作用。 現(xiàn)階段的LED燈用無(wú)機(jī)發(fā)光材料是在基底物質(zhì)上摻雜稀土離子而制成的。LED結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理（半導(dǎo)體照明原理） 結(jié)構(gòu)：LED的核心部分是半導(dǎo)體組成的芯片，芯片利用膠體固定在支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，整個(gè)芯片采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封裝。所以方正性能較好。發(fā)光原理發(fā)光原理 半導(dǎo)體芯片主要是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成。 在P型半導(dǎo)體里面是地遷移率的空穴占主導(dǎo)地位，在N型半導(dǎo)體里面是高遷移率的電子占主導(dǎo)地位。 這兩種半導(dǎo)體之間的載流子濃度是不同的，可以產(chǎn)生相互擴(kuò)散形成一個(gè)過(guò)渡層，稱為P-N結(jié)。 在正常條件下，P-N結(jié)中的內(nèi)電廠起到勢(shì)能壘作用，可以組織電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散而發(fā)生復(fù)合。

28、而當(dāng)在P-N結(jié)兩端施加正向電壓時(shí)外加電場(chǎng)可以降低是能類區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而破壞P-N結(jié)附近載流子的動(dòng)態(tài)平衡。 于是電子從N區(qū)注入到P區(qū)，空穴從P區(qū)注入到N區(qū)；這樣注入的少數(shù)載流子與被注入的多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合，復(fù)合產(chǎn)生的能量就會(huì)以光子的形式散射出去。LED應(yīng)用LED實(shí)現(xiàn)白光的三種方法及存在問(wèn)題和解決辦法方法一 通過(guò)紅綠藍(lán)三基色多芯組和發(fā)光合成白光，該方法的優(yōu)點(diǎn)是效率高、色溫可控、顯色性較好，缺點(diǎn)是三基色光衰不同導(dǎo)致色溫不穩(wěn)定、控制電路較復(fù)雜、成本較高。方法二 藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉，由LED藍(lán)光和熒光粉發(fā)出的黃綠光合成白光，為改善顯色性能還可以在其中加入少量紅色熒光粉或同時(shí)加入適量綠色、紅色熒光粉，該方法的優(yōu)點(diǎn)是效率高、顯色性較好，但也存在著一致性差、色溫隨角度變化的缺點(diǎn)方法三 紫外光LED激發(fā)熒光粉獲得白光，優(yōu)點(diǎn)是顯色性好、制備簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)在于有紫外光泄露問(wèn)題，效率較低。近紫外光激發(fā)紅光綠光藍(lán)光半導(dǎo)體白光半導(dǎo)體照明發(fā)展前景展望 隨著人類文明的進(jìn)步，高效能、長(zhǎng)壽命、無(wú)汞化、多元化和藝術(shù)化稱為世界照明領(lǐng)域的發(fā)展方向。 白光LED照明的耗能遠(yuǎn)低于同等亮度的白熾燈和日光燈，使用白光LED可以節(jié)約大量能源；LED使用低壓電源，是一種更安全的照明光源，特別