第9講 半導(dǎo)體照明及半導(dǎo)體照明材料

1、2021-8-61 第八講第八講 半導(dǎo)體照明及半導(dǎo)體照明材料半導(dǎo)體照明及半導(dǎo)體照明材料 2021-8-63 一、人類照明的歷史 2021-8-64 火人類的文明 2021-8-65 燈延續(xù)歷史幾千年 2021-8-66 2021-8-67 二、電光源的歷史 2021-8-68 1879年愛(ài)迪生發(fā)明白熾燈年愛(ài)迪生發(fā)明白熾燈 2021-8-69 熒光燈將電光源帶入新天地?zé)晒鉄魧㈦姽庠磶胄绿斓?2021-8-610 三、半導(dǎo)體發(fā)光二極管三、半導(dǎo)體發(fā)光二極管 （Light Emitting Diode） 2021-8-611 2021-8-612 將電能直接轉(zhuǎn)化為光能的一種物理現(xiàn)象. 光-電 轉(zhuǎn)換不

2、需經(jīng)過(guò)其他物理過(guò)程.如:LED發(fā)光屬電 致發(fā)光. 電致發(fā)光電致發(fā)光 光致發(fā)光光致發(fā)光 有大量材料受到紫外線的激發(fā)而輻射出 可見(jiàn)光, 稱為光致發(fā)光 熒光這個(gè)詞用來(lái) 表示材料受到激發(fā)后立即發(fā)光. 熒光燈 屬光致發(fā)光. 2021-8-613 什么是發(fā)光二極管（什么是發(fā)光二極管（LED）？）？ o 發(fā)光二極管是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管是由數(shù)層很薄的摻雜半導(dǎo)體材料 制成，一層帶過(guò)量的制成，一層帶過(guò)量的電子，電子，另一層因缺乏電另一層因缺乏電 子而形成帶正電的子而形成帶正電的“空穴空穴”，當(dāng)有電流通過(guò)，當(dāng)有電流通過(guò) 時(shí)，時(shí)，電子和空穴相互結(jié)合電子和空穴相互結(jié)合并釋放出能量，從并釋放出能量，從

3、而輻射出光。而輻射出光。 2021-8-614 2021-8-6 15 LED發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以 直接把電轉(zhuǎn)化為光。直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片， 晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連 接電源的正極，整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)接電源的正極，整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。半導(dǎo) 體晶片由兩部分組成，一部分是體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，空穴占型半導(dǎo)體，空穴占 主導(dǎo)地位，另一端是主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，主要是電子。

4、兩種型半導(dǎo)體，主要是電子。兩種 半 導(dǎo) 體 連 接 起 來(lái) ， 就 形 成 一 個(gè)半 導(dǎo) 體 連 接 起 來(lái) ， 就 形 成 一 個(gè) “ P - N 結(jié)結(jié) ” 。 當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片 的時(shí)候，電子就會(huì)被推向的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，區(qū)， 在在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后 就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這 就是就是LED發(fā)光的原理。發(fā)光的原理。而光的波而光的波 長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成P- N結(jié)的材料決定的結(jié)的材料決定的。 16 LED具有15中以上的光源優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、

5、安全、低耗、低熱、色光、白光、防震、防水、微型、 亮度高、易調(diào)光、光束集中、減少維修。 LED的優(yōu)點(diǎn) 其主要優(yōu)點(diǎn)其主要優(yōu)點(diǎn): (1)理論上具有比傳統(tǒng)光源更高的發(fā)光效率，理論上具有比傳統(tǒng)光源更高的發(fā)光效率， 理論上是可以達(dá)到理論上是可以達(dá)到300(lm/W)。實(shí)驗(yàn)室：。實(shí)驗(yàn)室： 249(lm/W).商用：商用：100(lm/W）。還有很大的上升）。還有很大的上升 空間，從而具有很大的節(jié)能潛力?？臻g，從而具有很大的節(jié)能潛力。 (2) 壽命很長(zhǎng)目前壽命很長(zhǎng)目前(30000-50000h),可提高到可提高到 (100000h)，開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度快，不影響其壽命。，開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度快，不影響其壽命。 o (3)

6、可控制帶隙大 小，從而發(fā)出各種 波長(zhǎng)的光線，而且 色純度很高，非常 鮮艷，適于裝飾環(huán) 境，美化生活。 2021-8-618 (4)LED是2發(fā)光具 有方向性，可以更 好的控制光線方向， 提高系統(tǒng)的照明效 率。 (5)光源器件較小，使 得布光更為靈活， 而且能夠更好的實(shí) 現(xiàn)夜景照明中“只 見(jiàn)其光，不見(jiàn)光源” 的效果。 2021-8-619 20 (6)不需要玻璃外殼,抗沖擊性好，抗震好，不易破碎， 便于裝卸運(yùn)輸。 (7)能較好的控制發(fā)光光譜組成，無(wú)紅外光，無(wú)紫外 線，從而能夠很好的用于博物館，展覽館的局部和 重點(diǎn)照明，而不損傷展覽珍品。 (8)光源中無(wú)汞，有利環(huán)境保護(hù)。 (9)使用抵押直流驅(qū)動(dòng)，

7、具有負(fù)載小，干涉少，安全 可靠的優(yōu)點(diǎn)， (10)亮度可調(diào)，顏色可變，可制成智能燈具。 21 照明成本 o 照明成本包括四個(gè)成分： o 一、電光源的初始成本。 o 二、光源所消耗能源的成本。 o 三、燈光源無(wú)法工作時(shí)更換光源所需勞動(dòng)成 本。 o 四、電光更換的頻率，由它決定維護(hù)成本和 電光源的總成本。 o LED計(jì)劃從2005年得29.4降至2010的 6.36、2020年得3.28元。 2021-8-622 LED的發(fā)展歷史的發(fā)展歷史 o 1965年世界上的第一只商用化年世界上的第一只商用化LED誕生，用誕生，用 鍺制成，單價(jià)鍺制成，單價(jià)45美元，為紅光美元，為紅光LED，發(fā)光效，發(fā)光效 率率

8、0.1 lm/w。 o 1968年利用半導(dǎo)體摻雜工藝使年利用半導(dǎo)體摻雜工藝使GaAsP材料的材料的 LED的發(fā)光效率達(dá)到的發(fā)光效率達(dá)到1 lm/w, 并且能夠發(fā)出并且能夠發(fā)出 紅光、橙光和黃光。紅光、橙光和黃光。 o 1971年出現(xiàn)年出現(xiàn)GaP材料的綠光材料的綠光LED，發(fā)光效率，發(fā)光效率 也達(dá)到也達(dá)到1 lm/w。 2021-8-623 LED的發(fā)展歷史的發(fā)展歷史 o 80年代，重大技術(shù)突破，開(kāi)發(fā)出年代，重大技術(shù)突破，開(kāi)發(fā)出AlGaAs材材 料的料的LED，發(fā)光效率達(dá)到，發(fā)光效率達(dá)到 10 lm/w。 o 1990年到年到2001年，年，AlInGaP的高亮度的高亮度LED成成 熟，發(fā)光效率

9、達(dá)到熟，發(fā)光效率達(dá)到 4050 lm/w。 o 1990年基于年基于SiC材料的藍(lán)光材料的藍(lán)光LED出現(xiàn)，發(fā)光出現(xiàn)，發(fā)光 效率為效率為0.04 lm/w。 o 90年代中期出現(xiàn)以藍(lán)寶石為襯底的年代中期出現(xiàn)以藍(lán)寶石為襯底的GaN藍(lán)光藍(lán)光 LED，到目前仍然為該技術(shù)。到目前仍然為該技術(shù)。 2021-8-624 四、半導(dǎo)體發(fā)光材料體系半導(dǎo)體發(fā)光材料體系 2021-8-625 半導(dǎo)體材料的分代半導(dǎo)體材料的分代 o 以以硅硅Si為代表的半導(dǎo)體材料為第一代半導(dǎo)體為代表的半導(dǎo)體材料為第一代半導(dǎo)體 材料。材料。 o 以以砷化鎵砷化鎵GaAs為代表的化合物半導(dǎo)體材料為代表的化合物半導(dǎo)體材料 為第二代半導(dǎo)體材料。

10、為第二代半導(dǎo)體材料。 o 以以氮化鎵氮化鎵GaN為代表的寬帶隙化合物半導(dǎo)體為代表的寬帶隙化合物半導(dǎo)體 材料為第三代半導(dǎo)體材料材料為第三代半導(dǎo)體材料 。 2021-8-626 半導(dǎo)體發(fā)光材料是發(fā)光器件的基礎(chǔ)，如果沒(méi)有砷化鎵、半導(dǎo)體發(fā)光材料是發(fā)光器件的基礎(chǔ)，如果沒(méi)有砷化鎵、 磷化鎵、磷砷化鎵等材料的研究進(jìn)展，發(fā)光器件也絕不磷化鎵、磷砷化鎵等材料的研究進(jìn)展，發(fā)光器件也絕不 可能會(huì)取得今天這樣大的發(fā)展，今后器件性能的提高也可能會(huì)取得今天這樣大的發(fā)展，今后器件性能的提高也 很大程度取決于材料的進(jìn)展。很大程度取決于材料的進(jìn)展。 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： 1 1、半導(dǎo)體帶隙寬度與

11、可見(jiàn)和紫外光子能量相匹配。、半導(dǎo)體帶隙寬度與可見(jiàn)和紫外光子能量相匹配。 2 2、只有直接帶隙半導(dǎo)體才有較高的輻射復(fù)合概率。、只有直接帶隙半導(dǎo)體才有較高的輻射復(fù)合概率。 3 3、還要求有好的晶體完整性、可以用合金方法調(diào)節(jié)帶隙、還要求有好的晶體完整性、可以用合金方法調(diào)節(jié)帶隙、 有可用的有可用的p p型和型和n n型材料，以及可以制備能帶形狀預(yù)先設(shè)型材料，以及可以制備能帶形狀預(yù)先設(shè) 計(jì)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)構(gòu)。計(jì)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)構(gòu)。 2021-8-627 GaN半導(dǎo)體材料特點(diǎn)半導(dǎo)體材料特點(diǎn) o 寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，有很高的禁帶寬寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，有很高的禁帶寬 度（度（2.36.2eV)

12、，可以覆蓋紅、黃、綠、藍(lán)、，可以覆蓋紅、黃、綠、藍(lán)、 紫和紫外光譜范圍紫和紫外光譜范圍 ，是到目前為止其它任何是到目前為止其它任何 半導(dǎo)體材料都無(wú)法達(dá)到的半導(dǎo)體材料都無(wú)法達(dá)到的。 o 高頻特性，可以達(dá)到高頻特性，可以達(dá)到300GHz（硅為（硅為10GHz， 砷化鎵為砷化鎵為80GHz）。）。 2021-8-628 o 高溫特性，在高溫特性，在300正常工作（非常適用于正常工作（非常適用于 航天、軍事和其它高溫環(huán)境）航天、軍事和其它高溫環(huán)境） o 耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境）耐酸、耐堿、耐腐蝕（可用于惡劣環(huán)境） o 高壓特性（耐沖擊，可靠性高）高壓特性（耐沖擊，可靠性高） o 大功率（對(duì)

13、通訊設(shè)備是非常渴望的）大功率（對(duì)通訊設(shè)備是非?？释模?GaN半導(dǎo)體材料特點(diǎn)半導(dǎo)體材料特點(diǎn) 2021-8-629 GaN外延片生產(chǎn)外延片生產(chǎn) o 通過(guò)通過(guò)MOCVD進(jìn)行進(jìn)行GaN單晶膜外延生長(zhǎng)單晶膜外延生長(zhǎng): 1)用藍(lán)寶石為襯底材料用藍(lán)寶石為襯底材料 2)用高純氨氣提供氮源用高純氨氣提供氮源 3)用金屬有機(jī)源提供鎵、銦、鋁源用金屬有機(jī)源提供鎵、銦、鋁源 4)通過(guò)金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積的方法通過(guò)金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積的方法 進(jìn)行生長(zhǎng)進(jìn)行生長(zhǎng) 2021-8-630 方大集團(tuán)于方大集團(tuán)于2001年年9月在國(guó)內(nèi)第一個(gè)月在國(guó)內(nèi)第一個(gè) 生產(chǎn)出生產(chǎn)出GaN基基LED外延片外延片 2021-8-631 方大集

14、團(tuán)方大集團(tuán)6X2 inchMOCVD設(shè)備設(shè)備 2021-8-632 GaN基基LED芯片生產(chǎn)芯片生產(chǎn) o 通過(guò)幾十道工序，將通過(guò)幾十道工序，將GaN外延片加工成為外延片加工成為 LED芯片，標(biāo)準(zhǔn)芯片的尺寸為芯片，標(biāo)準(zhǔn)芯片的尺寸為0.3X0.3mm， 一片外延片可以加工一片外延片可以加工10000多顆多顆LED芯片芯片 2021-8-633 GaN基藍(lán)綠光基藍(lán)綠光LED芯片芯片 2021-8-634 GaN基大功率藍(lán)光基大功率藍(lán)光LED芯片芯片 2021-8-635 GaN半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用 o 藍(lán)、綠光藍(lán)、綠光LED 全彩色大屏幕全彩色大屏幕 交通信號(hào)燈交通信號(hào)燈 背光源、儀

15、器儀表指示燈背光源、儀器儀表指示燈 景觀光源景觀光源 2021-8-636 藍(lán)、綠、白光藍(lán)、綠、白光LED 2021-8-637 室外大室外大LED全彩色屏幕全彩色屏幕 2021-8-638 LED交通信號(hào)燈交通信號(hào)燈 2021-8-639 城市建筑裝飾燈光工程城市建筑裝飾燈光工程 2021-8-640 花旗銀行大廈花旗銀行大廈 2021-8-641 GaN半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用 o 藍(lán)光激光器（藍(lán)光激光器（BLD） 藍(lán)光藍(lán)光DVD，雙面雙密度容量為，雙面雙密度容量為20G，取代現(xiàn)，取代現(xiàn) 有紅光有紅光DVD，是以后數(shù)字電視存儲(chǔ)的必由之路，是以后數(shù)字電視存儲(chǔ)的必由之路 激光打印和

16、顯示，生物醫(yī)療儀器和設(shè)備激光打印和顯示，生物醫(yī)療儀器和設(shè)備 ，光譜測(cè)，光譜測(cè) 量系統(tǒng)量系統(tǒng) 可用于軍事領(lǐng)域，可用于軍事領(lǐng)域，450550nm的藍(lán)的藍(lán)-綠光波綠光波 段對(duì)海水是透光的，所以段對(duì)海水是透光的，所以BLD可通過(guò)空間衛(wèi)星、可通過(guò)空間衛(wèi)星、 機(jī)載平臺(tái)直接用來(lái)對(duì)海底潛艇通信，大大提高潛艇機(jī)載平臺(tái)直接用來(lái)對(duì)海底潛艇通信，大大提高潛艇 的隱蔽性和保密性。這是軍事部門長(zhǎng)久渴望實(shí)現(xiàn)的的隱蔽性和保密性。這是軍事部門長(zhǎng)久渴望實(shí)現(xiàn)的 技術(shù)手段。技術(shù)手段。 2021-8-642 中國(guó)漢級(jí)核潛艇中國(guó)漢級(jí)核潛艇 2021-8-643 索尼全球首臺(tái)藍(lán)光索尼全球首臺(tái)藍(lán)光DVD刻錄機(jī)刻錄機(jī)BDZ-S7 2021-8

17、-644 五、半導(dǎo)體照明的來(lái)臨 2021-8-645 優(yōu)異的性能優(yōu)異的性能 o白光白光LED 固體冷光源，效率高，綠色環(huán)保固體冷光源，效率高，綠色環(huán)保 壽命長(zhǎng)，可以達(dá)到壽命長(zhǎng)，可以達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)（連續(xù)萬(wàn)小時(shí)（連續(xù)10年）年） 低電壓工作低電壓工作 是照明領(lǐng)域的又一次革命是照明領(lǐng)域的又一次革命 2021-8-646 白光白光LED的構(gòu)成方式的構(gòu)成方式 o 基于藍(lán)光基于藍(lán)光LED，通過(guò)熒光粉激發(fā)一個(gè)黃光，通過(guò)熒光粉激發(fā)一個(gè)黃光， 組合成為藍(lán)光組合成為藍(lán)光 o 通過(guò)紅、綠、藍(lán)三種通過(guò)紅、綠、藍(lán)三種LED組合成為白光組合成為白光 o 基于紫外光基于紫外光LED，通過(guò)三基色粉，組合成為，通過(guò)三基色粉，組

18、合成為 白光白光 2021-8-647 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體照明計(jì)劃美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體照明計(jì)劃 o 從從2000年起國(guó)家投資年起國(guó)家投資5億美元億美元 o 到到2010年年 55%的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo) 體燈取代體燈取代 o 每年節(jié)電達(dá)每年節(jié)電達(dá)350億美元億美元 o 2015年形成每年年形成每年500億美元的半導(dǎo)體照明億美元的半導(dǎo)體照明 產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng) 2021-8-648 日本日本21世紀(jì)照明計(jì)劃世紀(jì)照明計(jì)劃 o 投入資金投入資金50億日元億日元 o 到到2007年年 30%的白熾燈被置換為半導(dǎo)體的白熾燈被置換為半導(dǎo)體 照明燈照明燈 2021-8-649 歐盟的彩虹計(jì)劃歐盟的

19、彩虹計(jì)劃 o 應(yīng)用半導(dǎo)體照明實(shí)現(xiàn)：應(yīng)用半導(dǎo)體照明實(shí)現(xiàn)： 高效高效 節(jié)能節(jié)能 不使用有害環(huán)境的材料不使用有害環(huán)境的材料 模擬自然光模擬自然光 2021-8-650 韓國(guó)韓國(guó)“固態(tài)照明計(jì)劃固態(tài)照明計(jì)劃” o 2004年年-2008年韓國(guó)政府計(jì)劃投入年韓國(guó)政府計(jì)劃投入1億美億美 元，企業(yè)提供元，企業(yè)提供30%的配套資金，近期開(kāi)始實(shí)的配套資金，近期開(kāi)始實(shí) 施，施，2008年年LED的發(fā)光效率達(dá)到的發(fā)光效率達(dá)到80lm/W。 2021-8-651 中國(guó)專家的呼吁中國(guó)專家的呼吁 o 我國(guó)有近百名專家（兩院院士）聯(lián)名向國(guó)務(wù)我國(guó)有近百名專家（兩院院士）聯(lián)名向國(guó)務(wù) 院呼吁，以三峽工程的院呼吁，以三峽工程的5%費(fèi)

20、用，支持我國(guó)費(fèi)用，支持我國(guó) 的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，用的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，用5-10年的時(shí)間的努力，年的時(shí)間的努力， 1/3照明應(yīng)用半導(dǎo)體照明，每年可以節(jié)約的照明應(yīng)用半導(dǎo)體照明，每年可以節(jié)約的 電量電量1000億度，多于一個(gè)三峽水電站的發(fā)億度，多于一個(gè)三峽水電站的發(fā) 電量（電量（800億度）億度） o 國(guó)家啟動(dòng)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程國(guó)家啟動(dòng)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程 2021-8-652 六、半導(dǎo)體照明發(fā)展現(xiàn)狀 2021-8-653 發(fā)展速度超過(guò)人們的預(yù)測(cè)發(fā)展速度超過(guò)人們的預(yù)測(cè) o 技術(shù)進(jìn)步迅速技術(shù)進(jìn)步迅速 o 市場(chǎng)的發(fā)展速度領(lǐng)先于技術(shù)的發(fā)展市場(chǎng)的發(fā)展速度領(lǐng)先于技術(shù)的發(fā)展 o 政府與民間共有熱情政府與民間共有熱情

21、 2021-8-654 中國(guó)在此領(lǐng)域的發(fā)展中國(guó)在此領(lǐng)域的發(fā)展 o 有多家公司參與有多家公司參與 o 在半導(dǎo)體領(lǐng)域中與國(guó)際水平最接近，基本上在半導(dǎo)體領(lǐng)域中與國(guó)際水平最接近，基本上 與國(guó)際水平同步發(fā)展，有部分領(lǐng)先與國(guó)際水平同步發(fā)展，有部分領(lǐng)先 o 方大集團(tuán)在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，特別是大功方大集團(tuán)在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，特別是大功 芯片芯片 2021-8-655 部分領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用部分領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用 o 潛水燈潛水燈 o 防爆燈防爆燈 o 高檔汽車的照明燈（奔馳、寶馬、奧迪高檔汽車的照明燈（奔馳、寶馬、奧迪A8 等汽車）等汽車） o 飛機(jī)和高檔汽車的閱讀燈飛機(jī)和高檔汽車的閱讀燈 2021-8-656 2021-8-657 已經(jīng)走近