第一章 固體照明概述

LED發(fā)光器件譚永勝紹興文理學(xué)院微電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室：綜合實(shí)驗(yàn)樓B1207Tel651833）E-mail：tanysh@參考書《固體照明導(dǎo)論》茹考斯卡斯等著，黃世華譯化學(xué)工業(yè)出版社《半導(dǎo)體物理學(xué)》教材第9、10兩章《現(xiàn)代半導(dǎo)體發(fā)光及激光二極管材料技術(shù)-進(jìn)階篇》史光國全華科技圖書有限公司《白光發(fā)光二極管制作技術(shù)》劉如熹主編．全華科技圖書有限公司印．1991第一章固體照明概述

照明技術(shù)變遷、照明光學(xué)、LED基本原理及應(yīng)用第二章LED的光取出原理及方法

LED的光取出原理及各種改進(jìn)方法第三、四、五章紅、綠、藍(lán)、近紫外等高功率LED

Seminar模式課程內(nèi)容第六章白光LED

基本考慮及各種制備方法第七章熒光粉、LED封裝與散熱課程內(nèi)容要求和考試預(yù)修課程：半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體器件物理、集成電路工藝原理作業(yè)+平時(shí)考勤=總成績的20%考試方式：閉卷考試第一章固體照明概述照明技術(shù)的變遷LED基本原理照明技術(shù)基本參數(shù)傳統(tǒng)白熾燈的光效極低500K鎢絲沒有可見光。1000K時(shí)才產(chǎn)生波長600nm以上的紅光。即使是可見光，人眼感覺的亮度差別也很大。30年代，熒光燈將電光源帶入新天地高壓放電燈光譜LED:第四代照明技術(shù)LED的發(fā)展歷史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)光效率0.1lm/w1968年利用半導(dǎo)體摻雜工藝使GaAsP材料的LED的發(fā)光效率達(dá)到1lm/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1lm/wLED的發(fā)展歷史80年代，重大技術(shù)突破，開發(fā)出AlGaAs材料的LED，發(fā)光效率達(dá)到10lm/w1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，發(fā)光效率達(dá)到40—50lm/w1990年基于SiC材料的藍(lán)光LED出現(xiàn)，發(fā)光效率為0.04lm/w90年代中期出現(xiàn)以藍(lán)寶石為襯底的GaN藍(lán)光LED，到目前仍然為該技術(shù)

方大集團(tuán)于2001年9月在國內(nèi)第一個(gè)

生產(chǎn)出GaN基LED外延片常用電光源發(fā)光效率對(duì)比

白光LED的價(jià)位目標(biāo)

LED產(chǎn)業(yè)的“摩爾”定律“就像半導(dǎo)體行業(yè)的摩爾定律一樣，LED行業(yè)也有一個(gè)Haitz定律——Haitz’sLaw。根據(jù)Haitz定律，LED亮度約每18-24個(gè)月可提升一倍，而在往后的10年內(nèi)，預(yù)計(jì)亮度可以再提升20倍，而成本將降至現(xiàn)有的1/10。世界上有關(guān)國家白熾燈的禁用時(shí)間表

LED晶片，在藍(lán)寶石、SiC或硅襯底上外延生長。典型的LED晶片示意圖及物理參數(shù)產(chǎn)品特性通過封裝將LED晶片制成各種芯片、光源。各種LED燈具產(chǎn)品中國LED市場應(yīng)用需求預(yù)測(單位:億個(gè))

資料來源:CCID(2010.06)2010年2011年2012年LED指示燈219.0227.5233.2交通指示燈16.517.918.9汽車應(yīng)用7.19.914.3LED顯示242.4296.5364.5LED室內(nèi)裝飾9.112.516.2景觀照明13.718.825.4LCD背光51.775.7113.7手機(jī)鍵盤和相機(jī)閃光等31.333.035.5LED路燈其它第一章固體照明概述照明技術(shù)的變遷LED基本原理照明技術(shù)基本參數(shù)LED發(fā)光是半導(dǎo)體pn結(jié)的注入發(fā)光，而半導(dǎo)體發(fā)光的本質(zhì)是電子與空穴的輻射復(fù)合。(a)輻射復(fù)合（b)非輻射復(fù)合LED的發(fā)光原理對(duì)于本征半導(dǎo)體，其發(fā)光特性取決于材料的能帶類型及禁帶寬度。有雜質(zhì)能級(jí)參與的輻射躍遷通過在間接帶隙半導(dǎo)體中引入某些雜質(zhì)能級(jí)，形成發(fā)光中心，能有效提高其輻射效率。PN結(jié)正向偏壓下，注入的載流子在結(jié)區(qū)復(fù)合發(fā)光。LED的發(fā)光效率ηR

：光輸出功率與光輸入功率之比。Pout=Pin×ηR

ηR=ηext×ηv其中，外部量子效率ηext

，是輸出光子數(shù)與電子空穴對(duì)的注入數(shù)之比，

ηv為電壓效率。ηext=ηint×Cex內(nèi)部量子效率ηint

，是產(chǎn)生光子數(shù)與電子空穴對(duì)的注入數(shù)之比。Cex為光取出效率，是產(chǎn)生的光子輸出到芯片外的效率。故ηR=ηint×Cex×ηv，即要提高LED的發(fā)光效率，得同時(shí)提高其內(nèi)部量子效率、光取出效率和電壓效率。ηv=hf/qV實(shí)際LED為提高電壓效率需要重?fù)诫s，以減少電阻、閾值電壓和臨界電流。ηint取決于輻射復(fù)合與總復(fù)合的比率，重?fù)诫s使發(fā)光中心濃度遠(yuǎn)大于無輻射復(fù)合中心濃度。LED的I-V特性曲線可反映其閾值電壓，臨界電流，功率等參數(shù)，借助光學(xué)測試可反推出內(nèi)量子效率。同質(zhì)pn結(jié)：低注入效率導(dǎo)致低增益和大的臨界電流。高再吸收導(dǎo)致低光取出效率和低外部量子效率。寬活性層導(dǎo)致寬發(fā)射光譜分布。對(duì)GaAs，un/up高達(dá)20左右，因此發(fā)光主要集中在p區(qū)。異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)。異質(zhì)結(jié)注入：大注入比，窄帶發(fā)光，寬帶窗口。單異質(zhì)結(jié)AlGaAs層的作用：阻止注入電子的繼續(xù)深入，提高增益；減少對(duì)光的吸收。雙異質(zhì)結(jié)：高注入效率低再吸收窄而強(qiáng)的光譜完全取代同質(zhì)結(jié)構(gòu)單量子阱：活性層厚度小到與電子波長可比擬，能帶轉(zhuǎn)化為分立能級(jí)。更低閾值電流；更高效率；極窄線寬；極好溫度穩(wěn)定性。由于能量躍遷主要發(fā)生在E1c與E1v兩分立能級(jí)間，因此發(fā)光譜線明顯變窄。E1c與E1v間能級(jí)差大于禁帶寬度，因此發(fā)射波長小于材料本征躍遷特征波長，發(fā)生藍(lán)移。電子和空穴受能量勢(shì)阱的限制，局域在活性層，在相同注入電流密度下，非平衡載流子濃度大出許多，因此具有很高的注入效率和增益。

重、輕空穴激子GaAs/Al0.2Ga0.8As量子阱中不同阱寬下激子吸收光譜。l表示GaAs阱寬，T=2K。隨阱寬的減少呈現(xiàn)臺(tái)階形的吸收譜，阱寬為400nm時(shí)階消失。電子阻擋層及多量子阱結(jié)構(gòu):進(jìn)一步提高輻射復(fù)合效率。多量子阱白光LED利用多量子阱（MQW）可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)光和白光輸出多量子阱白光LED半導(dǎo)體激光器（LD）LD：激光二極管LED與LD的區(qū)別：自發(fā)輻射與受激輻射。受激輻射的前提：分布反轉(zhuǎn)對(duì)于半導(dǎo)體，必須使電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)之差大于入射光子能量hv。在p區(qū)和n區(qū)均重?fù)诫s，且大注入的情況下，在結(jié)面附近可形成一很薄的分布反轉(zhuǎn)區(qū)，稱為“激活區(qū)”。其他條件：光學(xué)共振腔，使某一波長光子占?jí)旱箖?yōu)勢(shì)，輸出單色相干