发布日期：2026-04-09 来源: 网络 阅读量（）
图6-1为LED的结构截 面图。要使LED发光， 有源层的半导体材料必 须是直接带隙材料，越 过带隙的电子和空穴能 够直接复合发射出光 子。为了使器件有好的 光和载流子限制，大多 采用双异质结（ＤＨ） 结构。
性能用途 照明 功能辐射 有效光 通量 、 发 光 有效辐 射功 率 、有 亮度或发光强度、 效率（ lm/W ）、中 效辐射 照度 、 辐射 光束角和发光强度 心强度 分布 、 色 品 强度分 布 、 中 心波 分 步 、 色品 坐标 、 坐 标、 色 温 、 显 色 长、 分 值波 长 、带 色纯度、主波长 指数 宽 正向电压、正向电流、反向击穿电压、反向漏电流 显示
本章内容提要 半导体照明是一种基于半导体发光二 极管新型光源的固态照明，是21世纪最具 发展前景的高技术领域之一，已经成为人 类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一 次飞跃。白光LED的发展，使发光材料的 研究与应用进入了一个新的研究阶段。本 章将介绍半导体照明、硅酸盐基质及氮化 物基质白光LED发光材料。
因此，掺入不同的杂质，可以改变发光波长，其 范围范围覆盖了从红到紫的各种色Biblioteka Baidu。而 SiC 蓝 光 LED 是唯一的商品化的 SiC 器件，各种 SiC 多 型体的 LED 覆盖整个可见光和近紫外光区域。 6H - SiC 蓝光二极管是 n - B 杂质对复合发光。 SiC 作为第三代宽禁带半导体的典型代表，无论 是单晶衬底质量、导电的外延层还是高质量的介 质绝缘膜和器件工艺等方面都比较成熟，或有可 以借鉴的 SiC 器件工艺作参考，由此可以预测在 未来的宽禁带半导体器件中，SiC 将担任主角， 独霸功率和微电子器件市场。
LED产业链大致分为原材料（衬底）、外延 片、芯片、封装、及模块应用五个部分。 衬底是半导体照明产业技术发展的基石，材料的选用
衬底上生长出的半导体薄膜，薄膜主要由p型、量子阱、n 型三个部分构成；芯片是LED的核心组件，就是p-n结，主 要功能是把电能转化为光能。
ＬＥＤ的核心部分是由ｐ型半导体和ｎ型半 导体之间有一个过渡层，称为ｐ－ｎ结。其基本的 工作原理是一光电转换过程————
当一个正向偏压施加于ｐ－ｎ结势垒的降低，ｐ区的 正电荷将向ｎ区扩散，ｎ区的电子也向ｐ区扩散，同时在 俩个区域形成非平衡电荷的积累。对于一个真实的ｐ－ｎ 结型器件，通常ｐ区的载流子浓度远大于ｎ区，致使ｎ区 非平衡空穴的积累远大于ｐ区的电子积累（对于ｐ－ｎ 结，情况正好相反）。由于电流注入产生的少数载流子是 不稳定的，对于ｐ－ｎ结系统，注入价带中的非平衡空穴 要与导带中的电子复合，其中多余的能量将以光的形式向 外辐射。
ZnO具有铅锌矿结构，a =0.325 33 nm，c =0.520 73 nm，z =2，空间群为C46ν-P63mc。作为一种宽带隙 半导体材料，其室温禁带宽带为 3.37 ev，自由激子束 缚能为 60 meV。ZnO与GaN的晶体结构、晶格常量都 很相似，晶格失配度只有 2.2 %（沿001方向）、热 膨胀系数差异小，可以解决目前 GaN 生长困难的难 题。 随着光电技术的进步，ZnO 作为第三代半导体以 及新一代蓝、紫光材料，引起了人们的广泛关注，特 别是 p 型掺杂技术的突破，凸显了 ZnO 在半导体照明 工程中的重要地位。尤其与 GaN 相比，ZnO 具有很高 的激子结合能（60 mev），远大于 GaN（21 meV）的 激子结合能，具有较低的光致发光和受激辐射阈值。
GaN在大气压下一般是六方纤锌矿结构。它的一个 原胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。GaN是 极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为 1 700 ℃。它是一种宽禁带半导体（Eg=3.4 eV），自由激 子束缚能为 25 meV，具有宽的直接带隙，GaN是良好的 光电子材料，可以实现从红外到紫外全可见光范围的光 发射和红、黄、蓝、三原色具备的全光固体显示。 作为一种宽带半导体材料，GaN能够激发蓝光的独 特物理和光电属性使其成为化合物半导体领域最热的研 究领域，近年来在研究和商用器件方面的快速发展更使 得GaN基相关产业充满活力。当前，GaN基的近紫外、蓝 光、绿光发光二极管已经产业化，激光器和光探测器的 研究也方兴未艾。
GaP是人工合成的化合物半导体材料，是一种橙 红色透明晶体。磷化钾的晶体结构为闪锌矿型，晶格 常数为（5.447±0.06）Å，化学键是以共价键为主的 混合键，其离子键成分约为 20%，300 K时能隙为 2.26 eV，属间接跃迁半导体。 磷化镓为单晶材料和外延材料。工业生产的衬底 单晶均为渗入硫、硅杂质的n型半导体。磷化镓外延 材料是在磷化镓单晶衬底上通过液相外延或气相外延 加扩散生长的方法制得，多用于制造发光二极管。液 相外延材料可制造红色、黄绿色、纯绿色光的发光二 极管，气相外延加扩散生长的材料，可制造黄色、黄 绿色的发光二极管。
砷化镓是黑灰色固体，属闪锌矿结构，晶格常数为 5.65×10-10 m，熔点为 1 237 ℃，禁带宽度 1.4 eV，是典 型的直接跃迁型材料，发射的波长在 900 nm左右，属于 近红外区。它是许多发光器件的基础材料，外延生长用的 衬底材料。其发光二极管采用普通封装结构时发光效率为 4%，采用半球形结构时发光效率可达 20%以上。他们被 大量应用于遥控器和光电耦合器件。 砷化镓是半导体材料中兼具多方面优点的材料，但用 它制作的晶体二极管的发达倍数小，导热性差，不适宜制 作大功率器件。虽然砷化镓具有优越的性能，但由于它在 高温下分解，故要生长理想化学配比的高纯度单晶材料， 技术上要求比较高。
本征 ZnO 是一种 n 型半导体，必须通过受主掺 杂才能实现 p 型转变，但是由于氧化锌中存在 较多本征施主缺陷，对受主掺杂产生自补偿作 用，并且受主杂质固溶度很低，因此，p 型 ZnO 的研究已经成为国际上的研究热点。
SiC 的晶体结构可以包括立方（3C）、六方 （2H、4H、6H…）以及菱方（15R、21R…）等。 它们在能量上很接近，结构上由六角双层的不同堆 积形成。最常见的形式是 3C（闪锌矿结构 ZB）。 目前器件上用得最多的是 3C - SiＣ、4H- SiC 和6HSiC。通常对具有相对最小带隙的3C - SiC（2.4 ev） 直至具有最大带隙的 2H - SiC（3.35 eV）的能带结 构的研究发现，它们所有的价带-导带跃迁都有声子 参与，也就是说这些类型的 SiC 半导体都是间接带 隙半导体。 SiC 是目前发展最为成熟的宽带半导体材料。它 有效的发光来源于通过杂质能级的间接复合过程。
１· 工作寿命长：ＬＥＤ亮度半衰期通常可达１０万小时。 ２· 耗电低：同等亮度下，耗电较小，大幅度降低能耗。 ３· 响应时间快：LED一般可在几十纳秒内响应，因此是一种高速
制亮度，也可以通过不同波长LED的配置实现色彩的变化与调节。并 且，LED光源的应用，原则上不受空间的限制，可塑性极强，可以任 意延伸，实现积木式拼装。
LED照明光源的主流将是高亮度的白光LED。目 前，已商品化的白光LED多以蓝光单芯片加上 YAG黄光荧光粉混合产生白光。未来被看好的是 三波长白色LED，即以无机紫外光芯片加红、 蓝、绿、三种颜色荧光粉混合产生白光，他将取 代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及LED背光源等 市场。LED性能的光电参数如表6-1所示。
(1)半导体带隙宽度与可见光和紫外光光子能量 相匹配； (2)只有直接带隙半导体才有较高的辐射复合概 率； (3)要求有好的晶体完整性、可以用合金方法调 节带隙、有可用的p型和n型材料以及可以制备 能带形状预先设计的异质结构和量子阱结构。
要能够透光，其作用是完成输出电信号、保护灯芯正常工 作。LED封装工艺一般采用银浆固晶、焊线、环氧树脂灌 胶、烘箱烘干、切筋、测试分档、包装等工艺。
LED应用主要包括LED显示、照明器件、交 通信号灯、航标灯光源、警示灯饰、车灯及通用 照明等产业。
• 罗塞夫lossew.o.w在1923年就发现了半导 体SiC中偶然形成的p-n结的光发射 • 1965年世界上的第一只商用化LED诞生， 用锗制成，单价45美元，为红光LED，发 光效率0.1 lm/w • 1968年利用半导体搀杂工艺使GaAsP材料 的LED的发光效率达到1 lm/w, 并且能够发 出红光、橙光和黄光 • 1971年出现GaP材料的绿光LED，发光效 率也达到1 lm/w
半导体发光材料是发光器件的基础。在半导 体的发展历史上，1990年代之前，作为第一代的 半导体材料以硅（包括锗）材料为主元素的半导 体占统治地位。随着信息时代的来临，以砷化镓 （GaAs）为代表的第二代化合物半导体材料显 示了其巨大的优越性。而以氮化物（包括SiC、 ZnO等宽禁带半导体）为代表的第三代半导体材 料，由于其优越的发光特征正式成为最重要的半 导体材料之一。今后器件性能的提高也很大程度 上取决于材料的发展。
6.3.1 铈掺杂钇铝石榴石 6.3.2 白光LED用发光材料的 深入研究与新体系探索 6.3.3 硅酸盐发光材料 6.3.4 氮化物发光材料
半导体照明是指用全固态发光器件即发射 白色的发光二极管———白光LED（light emitting diode）作为光源的照明技术。它利用 固体半导体芯片作为发光材料，具有高效、节 能、环保、寿命长、易维护、可靠性高等优 点。白光LED的发展，是发光材料的研究与应用 进入一个新的研究阶段。由于激发源是短波紫 外、长波紫外或紫光发射的半导体，且输出功 率高，因此对发光材料性能会提出特定的要 求，而针对这些特定要求开展白光LED专用发光 材料的研究成为新的研究课题。
