新型宽禁带半导体材料与器件研究.答案

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

– 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
(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


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。
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
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
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。
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
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。
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
我们的工作

氮化铝(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。
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
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
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。
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
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
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
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。

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
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

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
低Fra Baidu bibliotek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 3400 40 1.5 5 75
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。
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。


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 。
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