《回顾复习(一)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《回顾复习(一)（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,光源的种类和特征,照明技术就是在可见光范围(380nm780nm)内 能够替代阳光的各种人造发光方法和途径。 光明使人方便，使人愉悦，使人幸福，使人意气风发，使人充满活力。 光明是人类追求的永恒！ 自身能够发光的物体叫光源，光源分为自然光源和人工光源。,大连工业大学 材料与新光源技术,1,2,传统光源-电光源的种类与特征,固体光源,气体放电源,热辐射光源,电致发光,利用电能使物体加热到白炽状态而发光的光源（白炽灯、卤钨灯）,直接将电能转化成光能,利用电流通过气体而发光的光源,辉光放电,弧光放电,电压高，电流小（A-mA），如霓虹灯,低压气体放电灯,高压气体放电灯,荧光灯、低压钠灯,高压汞灯
2、、高压钠灯、金属卤化物灯,第一章 绪 论 神奇的发光材料让生活更精彩,大连工业大学 材料与新光源技术,3,新光源技术-固态光源,神奇的发光材料让生活更精彩,大连工业大学 材料与新光源技术,固态照明（Solid State Lighting，SSL）是一种全新的照明技术，利用半导体芯片作为发光材料，直接将电能转换为光能。 它与白炽灯的钨丝发光和节能灯的三基色粉发光不同，半导体发光二极管（LED）采用电场发光，光电转换效率比较高。 固态照明具有节能、环保、使用寿命长、发光亮度高等特点。,荧光粉转换白光LED（图a）采用发射蓝光（InGaN）或紫外光的LED作为激发源，匹配相应的荧光材料实现白光发射
3、。 红绿蓝（RGB）多芯片封装白光LED是指分别发射红、绿、蓝的多芯片组合复合形成白光LED发射（图b）。 荧光粉转换白光发光LED由于具有成本低，电路设计和控制简便等特点，是目前半导体照明产业中最广泛采用的实现白光发射的技术。,白光LED实现方式：,(a) 荧光粉转换白光LED； (b) RGB多芯片封装白光LED,4,5,第二章 传统光源材料,2.1.1 材料的定义,什么是材料？ 一定的组成和配比； 成型加工性； 形状保持性； 经济性； 回收和再生性。,6,第二章 传统光源材料金属和合金,2.4.2 金属的结构和性质 晶体结构中的基本概念： 晶胞：晶格中能够代表晶格特征的最小几何单元； 晶
4、格参数：决定晶胞大小的三个棱长a、b、c及其相应的夹角、。 配位数：对于晶体结构中的一个原子或离子而言，其周围与之相邻结合的原子数或离子数，称为该原子或离子的配位数。,7,第二章 传统光源材料电介质材料,2.5.1 电介质材料的基本概念 金属导体中存在大量的自由电子，自由电子越多，导电能力越强！ 空气、水、煤油、玻璃、陶瓷、云母、塑料、橡胶等物质，它们的外层电子很难脱离原子核的引力范围，因此它们的自由电子很少，导电性能很差，这些物体叫做绝缘体，又叫做电介质。 一般认为，电阻率超过10欧厘米的物质便归于电介质。 本节内容介绍的电介质材料主要是电光源生产中，用量最大的、使用最广的玻璃材料，其次为陶
5、瓷、云母、塑料和石棉等。,8,第二章 传统光源材料电介质材料,2.5.2 电介质材料的结构和性质极化过程 电介质的基本特性是在外电场作用下产生极化，当外电场超过某极限值时，电介质即被击穿而失去介电性能。 无极分子极化过程：在外电场作用下产生感应电荷，外电场撤消后，正负电荷中心重合而恢复原状。 有极分子极化过程：外电场不存在时，正负电荷不重合。如水、有机玻璃等。,9,第二章 传统光源材料玻璃,2.5.3 玻璃电光源常用玻璃 玻璃是电光源工业用得最多的材料，主要用来制造玻壳（管）、芯柱、排气管、灯具面罩等。 作为光源玻璃材料，应具备如下性质： 1、良好的气密性保证真空或工作气体不会外逸或被污染 2
6、、良好的透光性透射率越高越好 3、良好的封接性能外壳与金属引线封接且须是气密性的 4、良好的化学稳定性和热稳定性 5、良好的电气绝缘性能保持足够高的电阻率和低的介质损耗 6、良好的加工性能且易于除气,白光LED光源器件根据制作过程可分为前段材料生长，中段芯片制备和后段器件封装。 前段过程包括衬底和外延片的生产与制造，这是整个LED产业链的制高点，也是实现白光LED照明的起点。 半导体产业：光源系统设计（灯具设计）；照明检测；照明设计,半导体照明光源制作流程,10,半导体发光材料体系,按照材料的化学成分和结构特性可将半导体分为元素半导体、化合物半导体和合金半导体。 化合物半导体（Compound
7、 Semiconductor）是由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。 大多数的化合物半导体主要是由族元素和族元素两种化学元素组成，如：InGaN，AlP, AlAs, GaAs, InP, InAs等。,11,典型的元素半导体,12,发光二极管典型材料,GaN-氮化镓LED和InGaN-氮化铟镓LED （） 属于-族化合物的GaN材料的研究与应用是如今全球半导体研究的前沿和热点，是制备微电子器件和光电子器件的新型半导体材料。 GaN半导体材料具有宽直接带隙（3.39 eV）、强化学键、高热导率、化学稳定性好及强的抗辐照能力等特点。 在光
8、电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有广阔的前景，被称为第一代硅锗半导体材料和第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。,13,InGaN/AlGaN双异质结蓝光LED结构示意图,14,外延的概念,外延（Epitaxy）顾名思义就是“向外延伸”，是一种特殊的薄膜生长，特指在单晶衬底（基片）上生长一层与衬底晶向相同或相近的单晶层。 在衬底上沉积的单晶层被称为外延薄膜或外延层，沉积过程被定义为外延生长。 外延薄膜沉积在具有相同组分和结构的衬底材料上的过程称为同质外延，反之则为异质外延。,15,异质外延与晶格畸变,衬底材料与外延层晶格匹配与晶格畸变,16,三、外延技术,2.
9、 典型的外延技术 实现半导体材料外延的技术主要包括：气相外延（VPE, Vapor Phase Epitaxy），液相外延 （LPE, Liquid Phase Epitaxy），固相外延（SPE, Solid Phase Epitaxy）和分子束外延（MBE, Molecular Beam Epitaxy）。 根据前驱物的不同，气相外延又被分为氢化物气相外延 （HVPE）和金属有机化学气相沉积 （MOCVD）。 金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术是LED外延片生长的主流技术。,17,GaN基外延片的生长,衬底材料的选择 ： （1）衬底与外延薄膜的晶格匹配 晶格匹配包含两个内容：首先是外延
10、生长面内的晶格匹配，即在生长界面所在平面的某一方向上衬底与外延薄膜的匹配；其次是沿衬底表面法线方向的匹配； （2）衬底与外延薄膜热膨胀系数的匹配 热膨胀系数的差异将导致外延薄膜质量下降，在器件工作中还会由于发热造成器件损坏； （3）衬底与外延薄膜化学稳定性匹配 衬底材料需要有良好的化学稳定性； （4）衬底材料成本可控，易于制备。,GaN基外延片的衬底商品化成熟的衬底材料主要是蓝宝石、碳化硅和单晶硅 。,18,GaN基外延片衬底材料,（一）蓝宝石-Sapphire： 蓝宝石是目前用于GaN基LED生长最普遍的衬底，也是商业化产品的主流。 特点：制备工艺成熟、价格低廉、表面易于清洗和处理，而且可以
11、稳定生产较大尺寸的产品，在高温下具有良好的稳定性 问题：蓝宝石和氮化镓材料存在较大的晶格失配和热膨胀系数的差异。 目前，产业界中仍以2英寸蓝宝石衬底为主流，部分大厂商已经在使用3英寸甚至4英寸衬底，未来有望扩大至6英寸衬底。,19,GaN基外延片衬底材料,（二）碳化硅-SiC： 碳化硅也是作为GaN基外延片衬底的重要材料，用于外延生长GaN的碳化硅（6H-SiC）具有类似纤锌矿的六方晶体结构，其禁带宽度为3.05 eV。 与蓝宝石衬底相比，SiC衬底具有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光的特点。 最大优点：SiC衬底与GaN的晶格失配仅为3.5%，远小于蓝宝石与GaN晶体之间的
12、晶格失配（16%）。 缺陷：价格昂贵 美国Cree公司垄断了优质SiC衬底的供应。,20,GaN基外延片衬底材料,（三）单晶硅衬底： 以单晶硅作为GaN基外延片衬底材料引起人们最广泛的关注和研究，主要是其有望能将GaN基器件与Si器件集成。 特点： 与蓝宝石衬底相比，硅衬底材料具有晶体质量高、成本低、尺寸大、导电性能优良和易加工等特点； 其次硅材料采用简单的湿法腐蚀方法即可去除，非常适宜于剥离衬底的薄膜转移技术路线，使其在制备半导体照明用大功率垂直结构LED芯片方面具有独特的优势； 另外硅衬底LED外延技术比蓝宝石衬底更加适合于大尺寸衬底。,21,GaN基外延片衬底材料,（三）单晶硅衬底： 蓝
13、宝石衬底技术在从2英寸转向6英寸、8英寸时技术壁垒较高。 对于硅衬底LED技术，从2英寸转向68英寸衬底过度时显示了良好的发展前景，并且可以利用大尺寸硅衬底成本低的优势，大幅度提高LED产线的自动化程度和生产效率，降低LED产品的综合成本。 难点在于：硅与氮化镓之间存在巨大的晶格失配和热失配，导致GaN外延薄膜产生高的位错密度和应力，容易出现龟裂现象，很难获得高质量的可达器件加工厚度的薄膜。,22,常用GaN基外延片衬底材料比较,商用化SiC衬底技术一直被美国Cree公司垄断，价格也最为昂贵。蓝宝石衬底是目前使用最多且性价比良好的技术路线。 未来的方向：GaN材料的同质外延能够避免外延薄膜与衬
14、底的晶格失配问题，不仅能够很大程度地减少缺陷，大幅提升器件的性能，而且还可以简化工艺步骤，因此GaN自支撑衬底的研究也受到了越来越多的关注。,23,GaN基外延片工艺流程 （一）,目前商业化的GaN基外延片采用的是两步生长工艺。外延片生长工艺复杂，一个简单的GaN蓝光LED量子肼结构的生长工艺包括高温烘烤、缓冲层生长、重结晶、n型GaN层生长、量子肼发光层生长及p型GaN层生长。 详细工艺流程如下： 1) 高温烘烤 蓝宝石衬底首先在氢气气氛中被加热至1050，目的是清洁衬底表面； 2) 衬底温度降至510，在蓝宝石衬底表面沉积30 nm厚度的低温GaN/AlN缓冲层； 3) 升温至1020，通入反应气氨气、三甲基镓和硅烷，各自控制相应的流速，生长4m厚度的硅掺杂n型GaN；,24,GaN基外延片工艺流程 （二）,4) 通入三甲基铝和三甲基镓反应气，制备厚度为0.15m的硅掺杂n型AlGaN； 5) 温度降至800，通入三甲基镓、三甲基铟、二乙基锌和氨气并各自控制不同的流速制备50 nm的Zn掺杂InGaN； 6) 温度升高至1020，通入三甲基铝、三甲基镓和双(环戊二烯基)镁，制备0.15m厚度的Mg掺杂p型AlGaN和0.5m厚度的Mg掺杂p型GaN； 7) 700氮气气氛中退火处理获得高质量p型GaN外延薄膜,25,
