半導(dǎo)體照明技術(shù)：第五章 半導(dǎo)體發(fā)光材料體系

1、 第五章 半導(dǎo)體發(fā)光材料體系 5.0 半導(dǎo)體發(fā)光材料的條件 成為半導(dǎo)體發(fā)光材料的條件成為半導(dǎo)體發(fā)光材料的條件： 高質(zhì)量的單晶材料高質(zhì)量的單晶材料。要求缺陷密度低，以III-V族材 料為主 半導(dǎo)體帶隙與可見和紫外光子能量相匹配半導(dǎo)體帶隙與可見和紫外光子能量相匹配 直接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙半導(dǎo)體。具有較高的輻射復(fù)合概率 可形成可形成N、P型材料，可制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)型材料，可制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié) 構(gòu)構(gòu)。 )( 5 .1239 )( eVhv nm 5.1 砷化鎵 lGaAs為閃纖礦結(jié)構(gòu)，直接帶 隙半導(dǎo)體，帶隙寬度1.42eV l缺陷主要是位錯(cuò)和化學(xué)計(jì)量比 偏離造成的缺陷。鎵空位對(duì)發(fā) 光效率的影

2、響很大，氧和銅是 重要的有害雜質(zhì)。 l液相外延時(shí)，高溫下Si占據(jù)Ga 形成施主，低溫下Si占據(jù)As形 成受主，發(fā)光峰值為940nm。 陰極射線致發(fā)光（Schubert, 1995） GaAs中的線位錯(cuò)（X W Liu,1999） 5.2 磷化鎵 GaP是閃纖礦結(jié)構(gòu)，典型的間接帶隙半導(dǎo)體，通過摻入不同 的等電子陷阱發(fā)光中心，可發(fā)紅、綠等顏色的光，成為20 世紀(jì)90年代前發(fā)光效率最高的可見光材料 影響材料質(zhì)量主要是位錯(cuò)和化學(xué)計(jì)量比偏離造成的缺陷，主 要是鎵空位。 VI族元素硫、硒、碲為常用的N型摻雜劑；II族的鋅、鎘、 鎂是常用的P型摻雜劑 綠色LED：N取代P作為等電子陷阱。N俘獲激子，產(chǎn)生復(fù)

3、合。液相外延生長(zhǎng)，效率為0.7% 黃色LED: 氣相外延法生長(zhǎng)時(shí)，可形成高濃度的氮摻雜，發(fā) 光向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)，峰值波長(zhǎng)為590nm。 紅色LED：摻入ZnO對(duì)等電子陷阱，激子復(fù)合發(fā)光峰值在 700nm,發(fā)光效率可達(dá)15%。 5.2 磷化鎵 5.3 磷砷化鎵 GaAs1-xPx是由GaAs和GaP組成的固溶體。在室 溫下，x0.45時(shí)，間接 躍遷，效率大幅度下降。 GaAs0.6P0.4峰值波長(zhǎng)650nm Nick Holonyak, Jr. (born November 3, 1928, in Zeigler, Illinois) invented the first practically u

4、seful visible LED in 1962 while 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 磷砷化鎵 LED external quantum efficiency ( ): * internal quantum efficiency * light extraction efficiency ext e

5、xtractionext int secondper LED into injected electrons of# secondper region active from emitted photons of# int secondper region active from emitted photos of# secondper space free into emitted photons of# extraction GaAs1-xPx的外量子效率隨x增加而減小，輻 射波長(zhǎng)隨x變短，相對(duì)視見函數(shù)增加，使亮 度增大，最佳值為x=0.4，峰值波長(zhǎng) 650660nm 5.3 磷砷化鎵 在

6、GaAs襯底上生 長(zhǎng)GaAs0.6P0.4， 晶格失配為1.5%， 須要生長(zhǎng)組分漸 變的過渡層。 引進(jìn)等電子陷阱雜質(zhì)氮，并采用GaP作為襯底，可 使GaAs1-xPx（x0.45）材料發(fā)光效率大為提高 Craford等人開發(fā)GaAs0.35P0.65：N/GaP峰值波長(zhǎng) 630nm紅光LED， GaAs0.15P0.85：N/GaP峰值波長(zhǎng) 580nm黃光LED GaAsP材料的方法主要是氣相外延 5.4 鎵鋁砷 Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs的固溶體。在x=0.35時(shí) 由直接躍遷變成間接躍遷。 GaAs和AlAs的晶格常數(shù)很接近，固溶體的晶格 失配的問題很小 最佳發(fā)光效率在6406

7、60nm之間，相應(yīng)的 x=0.340.4，內(nèi)量子效率在50%左右。 雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)N-Ga0.35Al0.65As/P-Ga0.65Al0.35As/P- Ga0.35Al0.65As,外量子效率達(dá)到16%，發(fā)光強(qiáng)度 5cd。 鎵鋁砷體系可用液相外延法大批量生產(chǎn)。生成氧 化鈍化層可以減少Al的氧化，提高器件壽命。 5.5 鋁鎵銦磷 間接帶隙材料AlP和GaP和直接帶隙的InP組成合金 時(shí)能產(chǎn)生直接帶隙的四元AlGaInP單晶。 (AlxGa1-x)yIn1-yP的y約為0.5時(shí)晶格常數(shù)與GaAs相匹 配，一般固定y=0.5，采用GaAs作為襯底。 直接帶隙到間接帶隙的轉(zhuǎn)變出現(xiàn)在x約為0.65時(shí)，

8、 增加x，可使其發(fā)光從紅擴(kuò)展到綠 AlGaInP材料采用MOCVD系統(tǒng)生長(zhǎng) AlGaInP系材料是目 前高亮度紅光 (625 nm), 橙光(610 nm) 和 黃光 (590 nm)LED產(chǎn) 品的主要體系 5.6 銦鎵氮 InGaN為直接帶隙材料，帶隙 從1.95(636.6nm)3.4 （365nm）eV。 AlGaInN的帶隙擴(kuò)大到6.2eV， GaN化合物是目前短波長(zhǎng)LED 最成功的材料體系。 白光LED：InGaN藍(lán)光芯片涂 覆YAG黃色熒光粉產(chǎn)生白光。 III族氮化物能在很高的位錯(cuò)密度下仍能有高的內(nèi)量子效率。 由于同質(zhì)襯底的獲取成本較高，一般使用異質(zhì)襯底。廣泛 使用的藍(lán)寶石襯底晶格

9、失配為16%，須要引入緩沖層技術(shù)以 獲得高質(zhì)量的外延層 5.6 銦鎵氮 襯底襯底 晶格晶格 失配失配 （%） 熱應(yīng)力熱應(yīng)力 失配失配 （%） 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn) GaN00同質(zhì)外延，晶體質(zhì)量最高同質(zhì)外延，晶體質(zhì)量最高 尺寸難以擴(kuò)大，成本非常尺寸難以擴(kuò)大，成本非常 高，背景載流子濃度較高高，背景載流子濃度較高 藍(lán)寶石藍(lán)寶石16-34 熔點(diǎn)高，化學(xué)性能穩(wěn)定，晶體質(zhì)量熔點(diǎn)高，化學(xué)性能穩(wěn)定，晶體質(zhì)量 高，成本相對(duì)較低高，成本相對(duì)較低 失配較大，缺陷較高，熱失配較大，缺陷較高，熱 導(dǎo)系數(shù)低，導(dǎo)系數(shù)低，6以上襯底難以上襯底難 以獲得以獲得 6H-SiC3.525 高導(dǎo)熱特性，缺陷密度略低于藍(lán)寶高導(dǎo)熱特性，缺陷密度略低于藍(lán)寶 石石 襯底成本較高襯底成本較高 Si-16.954 硅材料晶體質(zhì)量高，成本低硅材料晶體質(zhì)量高，成本低, 良好的良好的 導(dǎo)電，導(dǎo)熱性，尺寸大，硅加工工導(dǎo)電，導(dǎo)熱性，尺寸大，硅加工工 藝技術(shù)成熟，有可能與硅器件集成藝技術(shù)成熟，有可能與硅器件集成 失配非常大，高的位錯(cuò)密失配非常大，高的位錯(cuò)密 度，晶體質(zhì)量差度，晶體質(zhì)量差 AlN2.425 結(jié)構(gòu)上與結(jié)構(gòu)上與GaN相似，失配最小，熱相似，失配最小，熱 導(dǎo)率高，絕緣性能好，生長(zhǎng)高質(zhì)量導(dǎo)率高，絕緣性能好，生長(zhǎng)高質(zhì)量 AlGaN薄膜薄膜