半导体照明技术：第五章 半导体发光材料体系.ppt

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： 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 直接带隙半导体。具有较高的辐射复合概率 可形成N、P型材料，可制备异质结构和量子阱结构。 5.1 砷化镓 GaAs为闪纤矿结构，直接带隙半导体，带隙宽度1.42eV 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质。 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。 5.2 磷化镓 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时为直接跃迁型，x0.45时，间接跃迁，效率大幅度下降。 GaAs0.6P0.4峰值波长650nm 5.3 磷砷化镓 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650~660nm 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过渡层。 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640~660nm之间，相应的x=0.34~0.4，内量子效率在50%左右。 双异质结结构N-Ga0.35Al0.65As/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 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。 5.6 铟镓氮 5.6 铟镓氮 * 阴极射线致发光（Schubert, 1995） GaAs中的线位错（X?W?Liu,1999） 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%。 Nick Holonyak, Jr.?(born November 3, 1928, in?Zeigler, Illinois) invented the first practically useful 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. LED external quantum efficiency ( ): * internal quantum efficiency * light extraction efficiency 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 C