半导体照明技术：第五章 半导体发光材料体系

1、 第五章 半导体发光材料体系5.0 半导体发光材料的条件成为半导体发光材料的条件成为半导体发光材料的条件： 高质量的单晶材料高质量的单晶材料。要求缺陷密度低，以III-V族材料为主 半导体带隙与可见和紫外光子能量相匹配半导体带隙与可见和紫外光子能量相匹配 直接带隙半导体直接带隙半导体。具有较高的辐射复合概率 可形成可形成N、P型材料，可制备异质结构和量子阱结型材料，可制备异质结构和量子阱结构构。)(5 .1239)(eVhvnm 5.1 砷化镓lGaAs为闪纤矿结构，直接带隙半导体，带隙宽度1.42eVl缺陷主要是位错和化学计量比偏离造成的缺陷。镓空位对发光效率的影响很大，氧和铜是重要的有害杂

2、质。l液相外延时，高温下Si占据Ga形成施主，低温下Si占据As形成受主，发光峰值为940nm。阴极射线致发光（Schubert, 1995）GaAs中的线位错（X W Liu,1999） 5.2 磷化镓 GaP是闪纤矿结构，典型的间接带隙半导体，通过掺入不同的等电子陷阱发光中心，可发红、绿等颜色的光，成为20世纪90年代前发光效率最高的可见光材料 影响材料质量主要是位错和化学计量比偏离造成的缺陷，主要是镓空位。 VI族元素硫、硒、碲为常用的N型掺杂剂；II族的锌、镉、镁是常用的P型掺杂剂 绿色LED：N取代P作为等电子陷阱。N俘获激子，产生复合。液相外延生长，效率为0.7% 黄色LED: 气

3、相外延法生长时，可形成高浓度的氮掺杂，发光向长波长移动，峰值波长为590nm。 红色LED：掺入ZnO对等电子陷阱，激子复合发光峰值在700nm,发光效率可达15%。5.2 磷化镓 5.3 磷砷化镓 GaAs1-xPx是由GaAs和GaP组成的固溶体。在室温下，x0.45时，间接跃迁，效率大幅度下降。 GaAs0.6P0.4峰值波长650nmNick Holonyak, Jr. (born November 3, 1928, in Zeigler, Illinois) invented the first practically useful visible LED in 1962 while

4、 working as a consulting scientist at a General Electric Company laboratory in Syracuse, New York and has been called the father of the light-emitting diode. 5.3 磷砷化镓 LED external quantum efficiency ( ): * internal quantum efficiency * light extraction efficiency extextractionextint secondper LED in

5、to injected electrons of#secondper region active from emitted photons of# intsecondper region active from emitted photos of#secondper space free into emitted photons of#extraction GaAs1-xPx的外量子效率随x增加而减小，辐射波长随x变短，相对视见函数增加，使亮度增大，最佳值为x=0.4，峰值波长650660nm 5.3 磷砷化镓 在GaAs衬底上生长GaAs0.6P0.4，晶格失配为1.5%，须要生长组分渐变的

6、过渡层。 引进等电子陷阱杂质氮，并采用GaP作为衬底，可使GaAs1-xPx（x0.45）材料发光效率大为提高 Craford等人开发GaAs0.35P0.65：N/GaP峰值波长630nm红光LED， GaAs0.15P0.85：N/GaP峰值波长580nm黄光LED GaAsP材料的方法主要是气相外延 5.4 镓铝砷 Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs的固溶体。在x=0.35时由直接跃迁变成间接跃迁。 GaAs和AlAs的晶格常数很接近，固溶体的晶格失配的问题很小 最佳发光效率在640660nm之间，相应的x=0.340.4，内量子效率在50%左右。 双异质结结构N-Ga0.35Al

7、0.65As/P-Ga0.65Al0.35As/P-Ga0.35Al0.65As,外量子效率达到16%，发光强度5cd。 镓铝砷体系可用液相外延法大批量生产。生成氧化钝化层可以减少Al的氧化，提高器件寿命。 5.5 铝镓铟磷 间接带隙材料AlP和GaP和直接带隙的InP组成合金时能产生直接带隙的四元AlGaInP单晶。 (AlxGa1-x)yIn1-yP的y约为0.5时晶格常数与GaAs相匹配，一般固定y=0.5，采用GaAs作为衬底。 直接带隙到间接带隙的转变出现在x约为0.65时，增加x，可使其发光从红扩展到绿 AlGaInP材料采用MOCVD系统生长AlGaInP系材料是目前高亮度红光

8、(625 nm), 橙光(610 nm) 和黄光 (590 nm)LED产品的主要体系 5.6 铟镓氮 InGaN为直接带隙材料，带隙从1.95(636.6nm)3.4（365nm）eV。 AlGaInN的带隙扩大到6.2eV，GaN化合物是目前短波长LED最成功的材料体系。 白光LED：InGaN蓝光芯片涂覆YAG黄色荧光粉产生白光。 III族氮化物能在很高的位错密度下仍能有高的内量子效率。 由于同质衬底的获取成本较高，一般使用异质衬底。广泛使用的蓝宝石衬底晶格失配为16%，须要引入缓冲层技术以获得高质量的外延层 5.6 铟镓氮衬底衬底晶格晶格失配失配（%）热应力热应力失配失配（%）优点优点

9、缺点缺点GaN00同质外延，晶体质量最高同质外延，晶体质量最高尺寸难以扩大，成本非尺寸难以扩大，成本非常常高，背景载流子浓度较高，背景载流子浓度较高高蓝宝石蓝宝石16-34熔点高，化学性能稳定，晶体质熔点高，化学性能稳定，晶体质量量高，成本相对较低高，成本相对较低失配较大，缺陷较高，失配较大，缺陷较高，热热导系数低，导系数低，6以上衬底以上衬底难难以获得以获得6H-SiC3.525高导热特性，缺陷密度略低于蓝高导热特性，缺陷密度略低于蓝宝宝石石衬底成本较高衬底成本较高Si-16.954硅材料晶体质量高，成本低硅材料晶体质量高，成本低, 良好良好的的导电，导热性，尺寸大，硅加工导电，导热性，尺寸大，硅加工工工艺技术成熟，有可能与硅器件集艺技术成熟，有可能与硅器件集成成失配非常大，高的位错失配非常大，高的位错密密