1、1光源的種類和特征光源的種類和特征 照明技術就是在可見光范圍(380nm780nm)內能夠替代陽光的各種人造發光方法和途徑。 光明使人方便，使人愉悅，使人幸福，使人意氣風發，使人充滿活力。 光明是人類追求的永恒！ 自身能夠發光的物體叫自身能夠發光的物體叫光源光源，光源分為，光源分為自自然光源然光源和和人工光源人工光源。大連工業大學 材料與新光源技術12o 傳統光源傳統光源-電光源的種類與特征電光源的種類與特征固體光源固體光源氣體放電源氣體放電源熱輻射光源熱輻射光源電致發光電致發光利用電能使物體加熱到白熾狀態而發利用電能使物體加熱到白熾狀態而發光的光源（光的光源（白熾燈白熾燈、鹵鎢燈）、鹵鎢燈）

2、直接將電能轉化成光能直接將電能轉化成光能利用電流通過利用電流通過氣體而發光的氣體而發光的光源光源輝光放電輝光放電弧光放電弧光放電電壓高，電流?。妷焊?，電流?。ˋ-mA），如），如霓虹燈霓虹燈低壓氣體放電燈低壓氣體放電燈高壓氣體放電燈高壓氣體放電燈熒光燈熒光燈、低壓鈉燈低壓鈉燈高壓汞燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、高壓鈉燈、金屬鹵化金屬鹵化物燈物燈 第一章 緒 論 神奇的發光材料讓生活更精彩大連工業大學 材料與新光源技術3o 新光源技術新光源技術-固態光源固態光源神奇的發光材料讓生活更精彩大連工業大學 材料與新光源技術固態照明（Solid State Lighting，SSL）是一種全新的照明技術，利

3、用半導體芯片半導體芯片作為發光材料，直接將電能轉換為光能直接將電能轉換為光能。它與白熾燈的鎢絲發光和節能燈的三基色粉發光不同，半導體半導體發光二極管（發光二極管（LED）采用電場發光，光電轉換效率比較高。固態照明具有節能、環保、使用壽命長、發光亮度高節能、環保、使用壽命長、發光亮度高等特點。 熒光粉轉換白光LED（圖a）采用發射藍光（藍光（InGaN）或紫紫外光外光的LED作為激發源，匹配相應的熒光材料熒光材料實現白光發射。 紅綠藍（RGB）多芯片封裝白光LED是指分別發射紅、綠、藍的多芯片組合多芯片組合復合形成白光LED發射（圖b）。 熒光粉轉換白光發光熒光粉轉換白光發光LED由于具有成本低

4、，電路設計和控具有成本低，電路設計和控制簡便等特點制簡便等特點，是目前半導體照明產業中最廣泛采用的實現白光發射的技術。 (a) 熒光粉轉換白光熒光粉轉換白光LED； (b) RGB多芯片封裝白光多芯片封裝白光LED 45o 2.1.1 材料的定義材料的定義什么是材料？什么是材料？l一定的組成和配比；一定的組成和配比；l成型加工性；成型加工性；l形狀保持性；形狀保持性；l經濟性；經濟性；l回收和再生性?；厥蘸驮偕?。6第二章第二章 傳統光源材料傳統光源材料金屬和合金金屬和合金2.4.2 金屬的金屬的結構結構和和性質性質晶體結構晶體結構中的基本概念：中的基本概念：l晶胞晶胞：晶格中能夠代表晶格特征

5、的最小幾何單元；：晶格中能夠代表晶格特征的最小幾何單元；l晶格參數晶格參數：決定晶胞大小的三個棱長：決定晶胞大小的三個棱長a、b、c及其相及其相應的夾角應的夾角、。l配位數配位數：對于晶體結構中的一個原子或離子而言，：對于晶體結構中的一個原子或離子而言，其周圍與之相鄰結合的原子數或離子數，稱為該原子其周圍與之相鄰結合的原子數或離子數，稱為該原子或離子的配位數?；螂x子的配位數。7第二章第二章 傳統光源材料傳統光源材料電介質材料電介質材料2.5.1 電介質材料的基本概念電介質材料的基本概念金屬導體中存在大量的自由電子，自由電子越多，導電能金屬導體中存在大量的自由電子，自由電子越多，導電能力越強！力

6、越強！空氣、水、煤油、玻璃、陶瓷、云母、塑料、橡膠等物質，空氣、水、煤油、玻璃、陶瓷、云母、塑料、橡膠等物質，它們的外層電子很難脫離原子核的引力范圍，因此它們的它們的外層電子很難脫離原子核的引力范圍，因此它們的自由電子很少，導電性能很差，這些物體叫做自由電子很少，導電性能很差，這些物體叫做絕緣體絕緣體，又，又叫做叫做電介質電介質。一般認為，電阻率超過一般認為，電阻率超過10歐歐厘米的物質便歸于厘米的物質便歸于電介質電介質。本節內容介紹的電介質材料主要是電光源生產中，用量最本節內容介紹的電介質材料主要是電光源生產中，用量最大的、使用最廣的大的、使用最廣的玻璃玻璃材料，其次為材料，其次為陶瓷陶瓷、

7、云母云母、塑料塑料和和石棉石棉等。等。8第二章第二章 傳統光源材料傳統光源材料電介質材料電介質材料2.5.2 電介質材料的電介質材料的結構結構和和性質性質極化過程極化過程電介質的基本特性是電介質的基本特性是在外電場作用下產生極化，當外電場超在外電場作用下產生極化，當外電場超過某極限值時，電介質即被擊穿而失去介電性能過某極限值時，電介質即被擊穿而失去介電性能。無極分子極化過程無極分子極化過程：在外電場作用下產生感應電荷，外電場：在外電場作用下產生感應電荷，外電場撤消后，正負電荷中心重合而恢復原狀。撤消后，正負電荷中心重合而恢復原狀。有極分子極化過程有極分子極化過程：外電場不存在時，正負電荷不重合

8、。如：外電場不存在時，正負電荷不重合。如水、有機玻璃等。水、有機玻璃等。9第二章第二章 傳統光源材料傳統光源材料玻璃玻璃2.5.3 玻璃玻璃電光源常用玻璃電光源常用玻璃玻璃是電光源工業用得最多的材料，主要用來制造玻殼玻璃是電光源工業用得最多的材料，主要用來制造玻殼（管）、芯柱、排氣管、燈具面罩等。（管）、芯柱、排氣管、燈具面罩等。作為光源玻璃材料，應具備如下性質：作為光源玻璃材料，應具備如下性質：1、良好的、良好的氣密性氣密性保證真空或工作氣體不會外逸或被污染保證真空或工作氣體不會外逸或被污染2、良好的、良好的透光性透光性透射率越高越好透射率越高越好3、良好的、良好的封接性能封接性能外殼與金屬

9、引線封接且須是氣密性的外殼與金屬引線封接且須是氣密性的4、良好的、良好的化學穩定性化學穩定性和和熱穩定性熱穩定性5、良好的、良好的電氣絕緣性能電氣絕緣性能保持足夠高的電阻率和低的介質保持足夠高的電阻率和低的介質損耗損耗6、良好的、良好的加工性能加工性能且易于且易于除氣除氣 白光LED光源器件根據制作過程可分為前段材前段材料生長料生長，中段芯片制備中段芯片制備和后段器件封裝后段器件封裝。 前段過程包括襯底和外襯底和外延片的生產與制造延片的生產與制造，這這是整個是整個LED產業鏈的制產業鏈的制高點，也是實現白光高點，也是實現白光LED照明的起點。照明的起點。 半導體產業半導體產業：光源系統設計（燈

10、具設計）；照明檢測；照明設計半導體照明光源制作流程半導體照明光源制作流程10半導體發光材料體系半導體發光材料體系 按照材料的化學成分和結構特性可將半導體分為元素半元素半導體導體、化合物半導體化合物半導體和合金合金半導體半導體。 化合物半導體（Compound Semiconductor）是由兩種由兩種或兩種以上元素以確定的原或兩種以上元素以確定的原子配比形成的化合物，并具子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結有確定的禁帶寬度和能帶結構構等半導體性質。 大多數的化合物半導體主要是由族元素族元素和族元素族元素兩種化學元素組成，如：InGaN，AlP, AlAs, GaAs, InP, I

11、nAs等。11材材 料料直接直接/間接帶隙間接帶隙禁帶寬度（禁帶寬度（eV）元元 素素C（金剛石）（金剛石）SiGeSn 間接間接間接間接間接間接間接間接5.471.120.660.08III-V族化合物族化合物GaAsInAsInSbGaPGaNInN直接直接直接直接直接直接間接間接直接直接直接直接1.420.360.172.263.390.70IV-IV族化合物族化合物-SiC間接間接2.99II-VI族化合物族化合物ZnOCdSeZnS直接直接直接直接直接直接3.351.703.6812 GaN-氮化鎵氮化鎵LED和和InGaN-氮化銦鎵氮化銦鎵LED （） 屬于屬于-族化合物的族化合物

12、的GaN材料的研究與應用是如今全球材料的研究與應用是如今全球半導體研究的前沿和熱點，是制備微電子器件和光電子器半導體研究的前沿和熱點，是制備微電子器件和光電子器件的新型半導體材料。件的新型半導體材料。 GaN半導體材料具有寬直接帶隙（半導體材料具有寬直接帶隙（3.39 eV）、強化學鍵、）、強化學鍵、高熱導率、化學穩定性好及強的抗輻照能力等特點。高熱導率、化學穩定性好及強的抗輻照能力等特點。 在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有廣在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有廣闊的前景，被稱為闊的前景，被稱為第一代硅鍺半導體材料第一代硅鍺半導體材料和和第二代第二代GaAs、InP

13、化合物半導體材料化合物半導體材料之后的之后的第三代半導體材料第三代半導體材料。 13 14外延的概念外延的概念外延（外延（Epitaxy）顧名思義就是顧名思義就是“向外延伸向外延伸”，是，是一種特殊的薄膜生長，特指在單晶襯底（基片）一種特殊的薄膜生長，特指在單晶襯底（基片）上生長一層與襯底晶向相同或相近的單晶層。上生長一層與襯底晶向相同或相近的單晶層。 在襯底上沉積的單晶層被稱為在襯底上沉積的單晶層被稱為外延薄膜外延薄膜或或外延層外延層，沉積過程被定義為沉積過程被定義為外延生長外延生長。 外延薄膜沉積在具有相同組分和結構的襯底材料外延薄膜沉積在具有相同組分和結構的襯底材料上的過程稱為上的過程稱

14、為同質外延同質外延，反之則為，反之則為異質外延。異質外延。 15異質外延與晶格畸變異質外延與晶格畸變襯底/a0外延層/a(I)(II)a=a0外延層/a襯底/a0外延層/a襯底/a0aa0aa0晶格匹配晶格畸變晶格畸變(III)襯底材料與外延層晶格匹配與晶格畸變襯底材料與外延層晶格匹配與晶格畸變 16三、外延技術三、外延技術 2. 典型的外延技術典型的外延技術 實現半導體材料外延的技術主要包括：實現半導體材料外延的技術主要包括：氣相外延氣相外延（VPE, Vapor Phase Epitaxy），液相外延），液相外延 （LPE, Liquid Phase Epitaxy），），固相外延固相外延

15、（SPE, Solid Phase Epitaxy）和）和分分子束外延子束外延（MBE, Molecular Beam Epitaxy）。）。 根據前驅物的不同，氣相外延又被分為根據前驅物的不同，氣相外延又被分為氫化物氣相外延氫化物氣相外延 （HVPE）和）和金屬有機化學氣相沉積金屬有機化學氣相沉積 （MOCVD）。 金屬有機化學氣相沉積（金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術是技術是LED外延片生長外延片生長的主流技術。的主流技術。17GaN基外延片的生長基外延片的生長 襯底材料的選擇襯底材料的選擇 ： （1）襯底與外延薄膜的晶格匹配 晶格匹配包含兩個內容：首先是外延生長面內的晶格匹配，即在

16、生長界面所在平面的某一方向上襯底與外延薄膜的匹配；其次是沿襯底表面法線方向的匹配； （2）襯底與外延薄膜熱膨脹系數的匹配 熱膨脹系數的差異將導致外延薄膜質量下降，在器件工作中還會由于發熱造成器件損壞； （3）襯底與外延薄膜化學穩定性匹配 襯底材料需要有良好的化學穩定性； （4）襯底材料成本可控，易于制備。GaN基外延片的襯底商品化成熟的襯底材料主要是藍寶石藍寶石、碳化硅碳化硅和單晶硅單晶硅 。18GaN基外延片襯底材料基外延片襯底材料 （一）藍寶石（一）藍寶石-Sapphire： 藍寶石是目前用于GaN基LED生長最普遍的襯底，也是商業化產品的主流。 特點：制備工藝成熟、價格低廉、表面易于清洗

17、和處理，而且可以穩定生產較大尺寸的產品，在高溫下具有良好的穩定性 問題：藍寶石和氮化鎵材料存在較大的晶格失配和熱膨脹系數的差異。 目前，產業界中仍以2英寸藍寶石襯底為主流，部分大廠商已經在使用3英寸甚至4英寸襯底，未來有望擴大至6英寸襯底。19GaN基外延片襯底材料基外延片襯底材料 （二）碳化硅（二）碳化硅-SiC： 碳化硅也是作為GaN基外延片襯底的重要材料，用于外延生長GaN的碳化硅（6H-SiC）具有類似纖鋅礦的六方晶體結構，其禁帶寬度為3.05 eV。 與藍寶石襯底相比，SiC襯底具有化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光的特點。 最大優點：SiC襯底與GaN的晶格失配僅為

18、3.5%，遠小于藍寶石與GaN晶體之間的晶格失配（16%）。 缺陷：缺陷：價格昂貴 美國美國Cree公司公司壟斷了優質SiC襯底的供應。20GaN基外延片襯底材料基外延片襯底材料 （三）單晶硅襯底：（三）單晶硅襯底：以單晶硅作為GaN基外延片襯底材料引起人們最廣泛的關注和研究，主要是其有望能將將GaN基器件與基器件與Si器件集成器件集成。特點：特點：與藍寶石襯底相比，硅襯底材料具有晶體質量高、成本低、尺寸大、導電性能優良和易加工等特點；其次硅材料采用簡單的濕法腐蝕方法即可去除，非常適宜于剝離襯底的薄膜轉移技術路線，使其在制備半導體照明用大功率垂直結構LED芯片方面具有獨特的優勢；另外硅襯底LE

19、D外延技術比藍寶石襯底更加適合于大尺寸襯底。21GaN基外延片襯底材料基外延片襯底材料 （三）單晶硅襯底：（三）單晶硅襯底：藍寶石襯底技術在從2英寸轉向6英寸、8英寸時技術壁壘較高。對于硅襯底LED技術，從2英寸轉向68英寸襯底過度時顯示了良好的發展前景，并且可以利用大尺寸硅襯底成本低的優勢，大幅度提高LED產線的自動化程度和生產效率，降低LED產品的綜合成本。難點在于：難點在于：硅與氮化鎵之間存在巨大的晶格失配和熱失配，導致GaN外延薄膜產生高的位錯密度和應力，容易出現龜裂現象，很難獲得高質量的可達器件加工厚度的薄膜。22常用常用GaN基外延片襯底材料比較基外延片襯底材料比較 晶系晶系導電性導電性熱導率熱導率（Wm-1K-1）晶格失配晶格失配晶圓尺寸晶圓尺寸（英（英寸）寸）成本成本藍寶石藍寶石六方六方絕緣絕緣3016%24較高較高6H-SiC六方六方導電（摻雜）導電（摻雜）4903.5%2昂貴昂貴單晶硅單晶硅立方立方導電（摻雜）導電（摻雜）14920.5%212低廉低廉商用化SiC襯底技術一直被美國Cree公司