6.2半导体发光材料 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）材料为主元素半导体占统治地位。但随着信息时代的来 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）为第三代半导体材料，由于其优越的发光特征 正成为最重要的半导体材料之一。如果没有这些材料的研究 进展，发光器件也绝不可能会取得今天这样大的发展，今后 器件性能的提高也很大程度取决于材料的进展。
6.36-2 钇铝石榴石晶体单胞的八分之一结构模型


6.3.1.2 YAG:Ce3+发光机理
YAG:Ce3+ 发光机理来自基态4f1和激发态5d1带间允许的电子跃迁。 位于460 nm的最低吸收带来自最低的2F5/2子能级到激发的2D带的 跃迁。发射光谱来自斯托克斯位移了的2D带到2F5/2（520 nm）和 2F7/2（580 nm）子能级的跃迁。在室温下，两组发射线交叠，产生 了一个宽带，能级如图6-3所示。由于460 nm附近的激发峰与蓝光发 光二极管的峰值波长一致，同时这个波长也接近效率最高的二基色体 现短波部分的波长（445 nm），而且其发射光谱与补色相符合 （570~590 nm），从而复合产生白光。
成为半导体发光材料的条件包括： （1）半导体带隙宽度与可见和紫外光子能量相匹配； （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。
类型包括砷化镓（GaAs） ；氮化镓（GaN）；磷化镓 （GaP） ；氧化锌（ZnO）；碳化硅（SiC） 等。
6.1.5 LED产业链构成 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。
衬底作为半导体照明产业技术发展的基石，能用于商品化的 衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底；LED外延片和 芯片是LED产业技术的核心。外延片指的是在衬底上生长出 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，也就是P-N结，其原理已在前 面讲述，主要功能把电能转化为光能；LED封装是指发光芯 片的封装，要求能够保护灯芯且还要能够透光，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。
6.1 半导体照明
6.1.1 LED的发展概况
二十世纪二十年代。德国科学家O.W.Lossow在研究SiC检波器时， 首先观察到了这种发光现象; 四十年后，研制成功了具有实用价值的发射红光的GaAsP发光二极 管，并被GE公司大量生产用作仪器仪表指示; 二十世纪九十年代初，日本东芝公司与美国HP公司先后研制成功双 异质结与多量子阱结构的橙色与黄色的InGaAlP发光二极管 ; 日本的日亚化学公司（Nichia）与美国的克雷（Cree）公司通过 MOCVD技术分别在蓝宝石与SiC衬底上生长成功了具有器件结构的 GaN基LED外延片，并制造了亮度很高的蓝、绿及紫光 LED器件; 在二十世纪的最后五年内，高亮LED产品的应用市场一直保持着 40%以上的增长率 。
6.1.2 LED的结构及工作原理
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。
图6-1 LED的结构截面图
LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片， 在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。 其基本的工作机理是一个电光转换过程。当一个正向偏压施 加于PN结两端，由于PN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，同时在两个区域形成 非平衡电荷的积累。对于一个真实的PN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区的电于积累（对于NP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PN结系统，注入 到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，其中多余的




6.3半导体照明发光材料 实现白光 LED 有多种方案，而光转换白光 LED 是当今国 内外的主流方案。白光 LED 的关键材料—高性能光转换 荧光体的研发成为热点，因为它决定白光 LED 光电重要 特性和参数。目前实现半导体照明有3种主要方法： （1）采用蓝色LED激发黄光荧光粉，实现二元混色白光； （2）利用UVLED激发三基色荧光粉，由荧光粉发出的光 合成白光； （3）基于三基色原理，利用红、绿、蓝三基色LED芯片 合成白光。

被广泛用于制作白光 LED 中的荧光体是 YAG:Ce 体系石 榴石黄色发光材料，除此之外，一些为白光 LED 需求新 的硅酸盐、钨钼酸盐、铝酸盐及氮（氧）化物荧光体等被 陆续地研发出来。激活离子主要集中在 Eu2+及Ce3+，而 Mn2+、Mn4+、Eu3+ 等用于白光LED发光材料的红光发射 组分离子也有很多报道。 6.3.1铈掺杂钇铝石榴石
第六章半导体材料

半导体照明是指用全固态发光器件作为光源的照明技 术，即发射白光的发光二极管—白光LED（Light Emitting Diode）。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，使发光材料的研究 与应用进入一个新的研究阶段。由于激发源是短波紫 外、长波紫外或蓝光发射的半导体，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。
能量将以光的形式向外辐射，这就是LED发光的基本原理
6.1.3 LED光源特点 （1）工作寿命长。 （2）耗电低。 （3）响应时间快。 （4）体积小、重量轻、耐冲击。 （5）易于调光、调色、可控性大。 （6）绿色、环保。 6.1.4 照明用LED特性
表6-1 LED性能的光电参数
通用照明领域对白光LED的光电性能的基本要求如下： （1）发光效率：~100 lm/W（IF=350 mA）； （2）光通量：~500 lm（=发光效率×正向电压×350 mA）； （3）色温：3000~8000 K； （4）显色指数：>80； （5）寿命：1 ~5万小时。