0 = 446.9 nm
FWHM = 14.99 nm
EL@20mA
93 meV
0 = 445.9 nm
PL@10K
FWHM = 8.3 nm
LO = 460.5 nm
FWHMLO = 7.5 nm
0 = 450.6 nm
PL@300K
0 350 375 400 425 450
FWHM = 14.5 nm
制作蓝光LED管芯的技术路线（一）
材料退火
制作Ni/Au透明电极
光刻出划片槽和n电 极槽，腐蚀SiO2
PECVD沉积SiO2
ICP干法刻蚀
腐蚀SiO2
制作蓝光LED管芯的技术路线（二）
制作n电极
制作Ni/Au焊盘
划片
减薄蓝宝石衬底， 抛光
扩片
裂片
器件制备工艺方面遇到的问题
• 器件的工作电压偏高 • 干法刻蚀表面粗糙、刻蚀时间难以把握
• • • • • • • • 波长适中 波长稳定 半高全宽小 半高全宽稳定 欧姆接触层的载流子浓度高 载流子的注入效率高 注入到有源区的载流子辐射复合效率高 均匀性好，重复性好
一般LED的光谱特性
Δλ ~ 5nm @0~80mA
Peak Wavelength ( nm )
467 466
Peak Wavelength FWHM
FWHM = 19.2 nm
EL@20mA
0 = 471.5 nm
FWHM = 7.2 nm
40 meV
LO = 486.1 nm
FWHMLO = 12.2 nm
PL@10K
0 = 475.2 nm
FWHM = 18.3 nm
PL@300K
0 350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625
项目背景
• 1994年左右高亮度GaN基蓝光LED的研 发成功轰动了全世界 • 1998年前后的一段时间，中国大陆产业 界也非常看好GaN基LED，成为产业界 投资的热点 • 中国大陆有上千家的LED封装厂家，但 均没有技术 • 中国大陆迫切需要GaN基真正开始LED 方面的研发工作
GaN基高亮度蓝光LED的研发项目
实验室的辉煌业绩
• 1991年，国家科委、国家基金委的评估 中被评为A类 • 2002年，信息类国家重点实验室评估中 小组初评和总体复评均名列前茅 • 2004年，国家重点实验室建设二十周年 总结大会上再次被获“国家重点实验室 计划先进集体奖(金牛奖)” • 2007年，在信息类国家重点实验室的评 估中获得优秀
Nakamura的传奇历史
• At that time, in 1989, there were two materials for making blue LEDs: zinc selenide and gallium nitride. • But everybody was working on zinc selenide because that was supposed to be much better. I thought about my past experience: if there are a lot of competition, I cannot win. Only a small number of people at a few universities were working with gallium nitride so I figured I'd better work with that. Even if I succeeded in a making a blue LED using zinc selenide, I would lose out to the competition when it came to selling it.
实验室取得的突出进展
• 氮化镓基宽禁带半导体材料与器件 • DFB-LD与电吸收调制器集成光源等单片 光子集成器件 • 基于集成光电子器件的光纤通信与光纤 网络的关键技术 • 新型光纤光栅器件等新型无源器件
行业背景
• • • • • 光电子行业 薄膜功能材料行业 照明行业 信息行业 光通讯
专业背景
• 一级学科：电子科学与技术 二级学科：物理电子学 • 具有坚实的物理基础： 光学、半导体、固体物理 • 学科交叉日益明显 热能、微波、材料、微细加工、流体力 学
什么是发光二极管(LED)？
评价LED性能的参数
前提条件：一定的管芯尺寸和注入电流条件下 • 正向工作电压 • 发光通量 • 发光功率 • 发光效率 • 发光峰值波长 • 发光峰值的半高全宽 • 热阻 • 寿命
AIXTRON 2000 HT MOVPE
High-resolution XRD
PL measurement system
Dry etching system
PECVD
集成光电子实验室分布情况
一层实验室平面图
103
105
北
106
二层实验室平面图
Office
203 203
201 Office
36
34 465
FWHM ( nm )
FWHM=27 nm @20mA FWHM=35 nm @80mA
464
32
463
30
462 28 461 26 460 0 20 40 60 80
Forward Current ( mA )
材料外延问题的解决方法
• 材料外延涉及很多种参数，如何优化结 构？ • 系统分析问题 • 抓住关键问题 • 先从已有经验出发 • 分析其个性之处
88 meV
575 600 625
475
500
525
பைடு நூலகம்
550
Wavelength (nm)
图1. 迄今为止 GaN 基 LED 材料最窄的室温 EL@20mA 和 PL@300K 光谱半高宽值（ EL中心波长为447 nm）
Luminescence spectrum (a.u.)
0 = 467.3 nm
发光二极管的巨大产业链
原材料配套产业
高纯金属有机源的 合成 高纯气体制备 衬底制备等 特气的合成 高纯金属材料提纯 各种化学药品、光 刻胶、显影液 的生产等 环氧树脂、荧光 粉、金丝、铝丝 封装支架等制造 城市夜景照明、路 灯的规划、设计 特种照明灯具的设 计制造等
产业链
材料外延
管芯制作
器件封装
系统应用
EC
EV
窄谱宽、高波长稳定性蓝光LED
470
Peak Wavelength ( nm )
Δλ < 1nm @0~120mA
469 468 467 466 465 464 463 462 461 460 0 20 40 60 80 100 120
24
Peak Wavelength FWHM
22 20
• • • • • 立项：寻求投资 设备调研、谈判、实验室装修 实验设备的安装和调试 在材料外延和器件制备方面所做的努力 取得的成果
漫长、艰难的设备调研和谈判
• 设备的性能和技术在某种程度上决定了研究的 成败，选设备，就是选技术 • 必须货比三家，把每个厂家的技术优势、劣势、 售后服务水平以及在国际上的使用状况搞清楚 • 要为每一次与厂家及其代理谈判做好充分准备， 做到有备而来，互相尊重 • 抓住有利时机，以合作或培训等形式，争取更 好的性价比
FWHM ( nm )
FWHM~18 nm @20mA FWHM~21 nm @120mA
18 16 14 12 10
Forward Current ( mA )
此结果为目前国际报道的最好结果（Acta Physica Sinica，2004）
基于应变控制的发光光谱特性
Luminescence spectrum (a.u.)
集成光电子学国家重点实验室简介
集成光电子学国家重点联合实验室于1987筹 建，1991年1月通过国家有关部门的验收并正式对 外开放。实验室定位于应用基础研究，基本任务 是研究集成光电子材料与器件及这些器件的应用 技术，为我国的国家信息基础设施建设服务。至 今，本实验室已经成长为国内从事集成光电子材 料与器件及其在光纤通信与网络中的应用的主要 研究基地，以及光电子学领域科研、教学和产业 开发的高级人才的重要培养基地，并且在一些重 要的研究领域产生了一定的国际影响。
212 Office
204
研究目标
高亮度、窄线宽、高波长稳定性GaN基蓝绿光LED
主要研究内容
• 高质量外延材料的获得 • 低工作电压、高光提取效率LED管芯的 制作 • 功率型LED的封装和系统集成技术
外延片的结构形式
外 延 生 长 方 向
6 X 2 inch
外延生长过程
对外延片的指标要求
Nakamura的传奇历史
• So I went to went to my company’s chairman, Nobuo Ogawa, who was my professor’s friend, and the president Eji Ogawa, who was his son-in-law. I asked them if they would let me do research on blue LEDs and they said "Sure. No problem. Go ahead." I was very surprised. I asked them to give me a large budget so I could do it. "Please give me three million U.S. dollars," and they said "Sure. No problem." They had faith in me because, despite the dismal sales, I had developed three new products for this company and I was the only one at Nichia who had succeeded in making new products.