新型宽禁带半导体材料与器件研究.答案

光提取效率：光的内反射问题
半透明电极
良好的透明导电膜电极 表面粗化 图形衬底 倒装焊

光子晶体应用
Ag基倒装焊结构 高反射Ag镜
封装：提高封装效率、散热、
光路设计
高效荧光粉 稳定、透明度高的封装树脂 散热片设计 倒装焊 针对不同应用设计合理的光路

大功率LED
大尺寸芯片结构设计 衬底剥离技术 晶格匹配衬底研制与生长

X射线光电子能谱测试
(a)
(b)
图1 (a) Al元素的窄扫描XPS谱图；
(b) N元素的窄扫描XPS谱图
Al2p的电子结合能为73.89eV，N1s的电子结合能为397.05 eV 薄膜的化学计量比为1.1:1，接近其化学计量比
反射高能电子衍射图像
原子力显微镜测试
图2 外延AlN薄膜的RHEED图像
计算场效应迁移率

在饱和区依据下面的公式:
I DS WCi FET (VGS VTH ) 2 2L
Ci为栅绝缘层单位面积电容 VTH为阈值电压 W为沟道宽度(本实验中W=1000µ m) L为沟道长度(本实验中L=50µ m) 可以计算得到场效应迁移率约为8.9 cm2/(V•s)
TFT 转移特性曲线
LED结构中压电场带来的问题

InGaN/GaN LED中载流 子限制结构设计中的矛盾
由于极化效应的存在， InGaN蓝光LED的量子阱宽 一般不能超过3nm，否则电 子空穴发生空间分离，波函 数重叠积分大大减小，辐射 复合效率极低。
e2 e1 h h1 h2
EC
EV
e1 h h1
EC
EV
合理的量子阱结构设计，非极性材料生长，一个 芯片同时发红、绿、蓝三色的研制。
LED 白 光 照 明
UV-LED激发红、绿、蓝荧光合成白光
优点

白光仅取决于荧光物！（对LED光源有较
大的宽容度） 非常好的彩色重现性 理论上“最易于制造！”

缺点

紫外光的泄露有潜在的破坏性 由于磷光物的转换效率、斯托克司频移以
UV LED + RGB phosphor
及自身的吸收等因素限制了发光效率

左图为测得晶体管 在V DS=3V时的IDSVDS曲线，从图中可 知，关态的电流在
10-9A量级，开态电
流在10-5A量级，开 关比接近104。
GaN - MOCVD
ZnO材料与器件
一、引言 二、设备和技术方法介绍 三、 p- ZnO材料的研究情况 四、 ZnO基p-n结及发光管的研究情况
五、 ZnO材料发光存在的问题与讨论
TFT输出特性曲线

左图为测得TFT不同栅 极偏压下的IDS-VDS特 性曲线,从图中可以看 到栅极偏压对源漏电 流有明显的调制作用,
栅极正向偏压大于阈
值电压后, 沟道电流 随着栅极偏压的增大
而增大,说明该晶体管
为n沟增强型器件。
IDS1/2-VGS曲线

左图是由晶体管 在 VDS=3V 下的 IDS-VGS曲线画出 的IDS1/2-VGS曲线。 外推IDS1/2-VGS 曲 线中的线性部分, 可得晶体管的阈 值电压约为6V。
照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次革命。
照明要使用多少能源？

美国每年大约使用3万亿度的电力。 其中的20%或六千亿度的电力用于发光照明。 白炽灯/卤素灯用去40%的电力却仅能产生15%的光源！ 荧光灯/高压放电灯用60%电力产生了85%的光源！ 照明市场约为US$600亿/年并缓慢地增长，~2%/年。


1962年至1966年，进行了台面晶体管、隧道二极管、 砷化
镓激光器等研究。 以敏锐的科学洞察力看准了半导体光电子学这一新的发展方 向，开始了第二代半导体的研究 。 1976年，研制的砷化镓条形双异质结激光器，在国内率先实


现室温激射，获1978年全国科技大会奖。吉林大学在第二代
半导体的研究在很长时间处于国内领先地位。
照明用大功率白光LED的三大问题
内量子效率不高 i 光提取效率不高50-60% 提高封装效率、散热、光路设计 wp = extraction i 目前水平： i 低于30% wp 为20-30% package 为 50-60%
不同波长芯片的内量子效率和光提取效率
内量子效率问题：GaN基蓝光


晶体结构 Eg(eV) Ebex(meV) a (nm) c (nm) Tg C Tmelt

刻蚀加工
容易
难
ZnO材料研究进展
1996年在第23届国际半导体物理年会上香港和日 本合作的一个研究组首次报道了ZnO薄膜光泵浦紫外 激光 。
AlN薄膜的Al、N元素XPS谱图
Al2p的电子结合能为74.12eV，N1s的电子结合能为397.31 eV 薄膜的化学计量比为1.03:1，接近其化学计量比
D
S
w
L
ZnO AlN Si G
①在Si衬底上用MBE方法生长AlN（128nm） ②用MOCVD方法生长ZnO（100nm） ③蒸发Al制作源栅漏电极,其中源漏采用钨丝掩膜
中国使用的电力约 1.65万亿度 /2002， 1.91万亿度 /2003， 2.19万亿
度/2004。其中照明用电约2.6千亿度，，。 2005年我国电力缺口约为 2500万千瓦（2004全年新装机是5055万

千瓦，三峡装机容量 980万千瓦 /）。如果用半导体照明可节约一
个三峡电站

2020年我国的电力需求为4.6万亿千瓦时，其中年照明用电量约占 总发电量的15％，为5250亿千瓦时。
(From：OIDA Technology Roadmap Update 2002.9)
三种方法产生白光发光照明
可与日光灯的白光合成原理类似，也可用 不同颜色的半导体发光合成白光
三基色白光 光源
紫外LED激 发白光光源
兰光LED激发 白光光源
Ⅲ 族氮化物材料特点 Ⅲ -N是以InN、GaN和AlN三种基质材料构

– 自支撑GaN衬底、AlN衬
底、SiC衬底 – ZnO衬底
我们工作的思路： ZnO衬底或ZnO/Al2O3衬底低温生长 GaN单晶薄膜。
LED应用
景观照明、特殊照明 路灯 台灯 汽车、交通信号灯 LCD背光源、手机、电视、电脑 大屏幕 玩具

LED是2009年唯一没有受經濟風 暴影響的產業
图4 外延AlN薄膜的XRD曲线图
AlN为绝缘层的 ZnO薄膜晶体管
MBE法制备ZnO薄膜晶体管AlN绝缘层
Si AlN
从图中可以看出外延 AlN薄膜厚度约为 128nm，界面较为清晰， 结构较致密。
Si衬底上AlN薄膜的断面SEM照片
MBE法制备ZnO薄膜晶体管的AlN绝缘层
X射线光电子能谱测试
图3 外延AlN薄膜的表面形貌图 表面均方根粗糙度为5.45nm 表面较为平整，薄膜呈圆球 密堆结构
形成了条纹状图像，表明外 延后得到了较为平整的表面， 并且形成了AlN晶体
X射线衍射图像
XRD 衍射图像表明制备的 AlN薄膜有较好的晶格取向， 在 36.14 °处是典型的六方 AlN(002) 的衍射峰，其半 高宽(FWHM)为0.24°
照 明 市 场
白炽灯
白 炽 灯 —— 热光 源 ， 钨 丝发光 色 温 为 2850K 缺点：

荧光灯
荧光灯——冷光源，是由汞蒸汽放电产生的 紫外线(266nm)激发磷光物（荧光粉）发光。 缺点： 寿命短（<10000小时）因此成本较高 安全问题 汞气体、有毒、环境污染！ 优点： 价格适中（0.002US$/lm） 高的发光效率（>80 lm/W）和高的光通量
低光通量
2007 75 >20 200 2.7 20 4 80
白炽灯
2012 150 >100 1000 6.7 <5 <5 >80
荧光灯
2020 200 >100 1500 7.5 <2 <3 >80
全部
白炽灯 荧光灯 16 1 1200 75 0.4 0.5 95 85 10 化铝(AlN)作为宽能隙直接能带结构化合物半导体材 料，由于其具有高击穿电压、高热导率、高硬度、优 良的压电特性、高化学和热稳定性，在表(体)声波器 件、电子器件封装、深紫外发光及光探测器件等方面 具有很好的应用前景。 本实验中采用射频等离子体辅助分子束外延技术(RFMBE)在Si(111)衬底上外延AlN晶体薄膜。采用高纯金 属铝作为Al源、高纯N2作为N源，在Si(111)衬底上预沉 积一层金属Al后氮化作为缓冲层，再在其上外延AlN 的方法。
优点

红、绿、蓝三色LED合成白光
不需要磷粉进行光转换，发光效率较高； 可实现动态调节色温

非常好的彩色重现性
缺点

成本高 颜色随时间、温度的变化而退化或不稳定 由于是三个二极管构成白光，在发光过程中 需要对每个光源进行独立控制，颜色的混合 较难处理；
研究方向：一个芯片同时发红、绿、蓝三色。
第三代带半导体器件
光电器件

功率型LED
– 单芯片宽谱白光LED、UV LED
激光器（蓝光激光器、红外） 紫外探测器（太阳盲） 太阳能电池（全谱）
电学器件
高温、高电压、高频、大功率晶体管
极化诱导能带工程在器件中的应用
稀磁半导体
Electrical Spin injection: The polarized -LED
半导体科学技术的新应用 －－半导体照明
几千年来，古今中外的人们一直依靠日光、月光和火光进 行照明，直到 1879 年爱迪生发明第一只白炽灯，真正意义 上的现代文明才得以开始。一百多年来，照明灯具飞速发 展，白炽灯、气体放电灯和各种不同类型的灯具把城市和 乡村照耀的五光十色，但在我们应用的灯具中（特别是灯 泡）有80%~90%的电力转化为为热能被白白消耗掉。 半导体照明是 21世纪最具发展前景的高技术领域之一。半 导体照明光源－－发光二极管(LED)具有高效、节能、环保、 长寿命、抗震、抗冲击、易维护等显著特点，被认为是最 有可能进入普通照明领域的一种新型固态冷光源。 是人类
一、引言 材料性质
ZnO晶体中(0001)面有最 低的表面自由能，因此有强 烈的(0001)面择优取向生长 特性，或称为c轴择优取向。 ZnO在常温常压下的稳定 相属六方晶系，纤锌矿结构 压电特性

ZnO
六角 3.2 60 0.325 5.20 500~600 1970
GaN
六角 3.4 25 0.319 5.19 1100 1700
成的合金半导体材料
InN(0.7eV ) GaN(3.4 eV) AlN(6.2 eV)
InGaN(0.7 - 3.4 eV)
AlGaN(3.4 – 6.2 eV)
AlxGa1-xInyN1-y (0.7-6.2eV) 宽广光学窗口：1.77m — 0.36m – 0.20m，全直接带隙
LED 白 光 照 明
新型宽禁带半导体材料与器件研究 （第三代半导体材料与器件研究）
杜国同 吉林大学
半导体的发展历程 从半导体材料分：
第一代半导体 Ge 、Si 第二代 GaAs、InP直接带隙半导体
第三代 宽带隙 GaN、 ZnO等

1956年国家12年科学发展规划，高鼎三老师参加将半导体列 入科学发展规划。在我国首次研制成功Ge大功率整流器和 点接触二极管，成为我国现代半导体器件研究的开端（第一 代半导体）。 高鼎三老师向有关主管部门提出了创办长春半导体厂及中国 科学院吉林分院半导体研究所（后改为东北物理所）的建议 并参与了筹建工作。
LED 白 光 照 明
蓝光LED激发黄色磷光体合成白光
优点

Binary Complimentary
目前已有黄色的磷光体！ 磷光体具有好的温度稳定性
缺点

彩色重现性较差！ 颜色的一致性与角度有关！ 由于磷光体的转换效率、斯托克司频移
以及自身的吸收等因素限制了发光效率
Blue LED + Yellow phosphor
能源浪费（绝大多数是红外辐射） 发光效率<15 lm/W（<5%功率） 安全问题 最根本的是无法达到白日的色温 （6500K）
优点：

价格便宜（0.0005US$/lm）
最重要的是通过三色的混合可获得任意色温
美国固态照明路线图
年 份 发光功效 lm/W 寿命 Khr 光通量 lm/灯 输入功率 W/灯 流明成本 $/Klm 灯成本 $/灯 彩色重现指数 市场进入 2002 25 20 25 1 200 5 75