半導體照明技術(第二版)（簡體書）

本書在介紹半導體照明器件―――發光二極管的材料、機理及其製造技術的同時，詳細講解了器件的光 電參數測試方法，器件的可靠性分析、驅動和控制方法，以及各種半導體照明的應用技術。本書內容系統、 全面，通過理論聯繫實際，重點突出了 “半導體照明”主題，反映了國內外最新的應用技術。

方志烈，1938年2月出生于江蘇江陰。1961年畢業於復旦大學並留校任教，現任該校教授。中國發光學會理事。上海市通信學會光通信專業委員會委員。

序言
半導體照明是指用全固態發光器件(發光二極管，即ＬＥＤ，是由半導體材料製成的光電器 件，可將電能轉換為光能)作為光源的照明，具有高效、節能、環保、壽命長、易維護等顯著特 點，是近年來全球最具發展前景的高新技術領域之一，是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之後 的又一場照明光源的革命。半導體照明有著巨大的市場與技術創新空間，對提升傳統照明工 業、帶動相關產業發展、擴大就業、培育新的經濟增長點意義重大。 自 ２０ ０３年 ６月啟動國家半導體照明工程以來，以節能、環保，實現綠色照明，促進傳統照 明產業升級，培育有國際競爭力的半導體照明新興產業為目標，以“政府引導、企業主體、市場 化運作”為原則，經過幾年努力，已經形成了從上游材料、芯片到中、下游封裝、應用的比較完 整的研發與產業體系。２ ００８年，我國半導體照明產業產值已達 ７ ００億元，芯片國產化率接近 ５ ０％，企業總數突破 ３０００家。我國已成為 ＬＥＤ全彩屏、太陽能 ＬＥＤ燈、景觀照明等應用產品 世界最大的生產和出口國，以及國際重要的 ＬＥＤ器件封裝基地。我國半導體照明產業進入了 自主創新、實現跨越式發展的重大歷史機遇期，正迎來蓬勃發展的春天。預計２０１０年，產業規 模將達 １０ ００億元。 本書作者從事發光二極管科研和教學工作近４ ０年，曾於 １ ９９ ２年編著出版《半導體發光 材料和器件》一書，以信息顯示為主要內容。近２ ０年的發展，ＬＥＤ發光效率提高了 １０ ０倍，特 別是藍光和白光 ＬＥＤ的發展，使之成為照明領域的新秀。半導體照明科研和產業的發展迫切 需要一本半導體照明技術方面的專著。本書從半導體發光器件和照明兩個角度，在介紹半導 體照明器件―――發光二極管的材料、機理及其製造技術的同時，詳細闡述了器件的光電參數測 試方法、器件的可靠性分析、驅動和控制方法，以及各種半導體照明的應用技術。 本書內容系統、全面，理論聯繫實際，重點突出了“半導體照明”主題，反映了國內外最新 的技術進展。書中有些內容也反映了作者及其同事們在這一領域的科研成果。 我們希望本書對半導體照明的研發和應用感興趣的相關人員有所幫助。本書可供高等學 校相關專業的教師和學生閱讀，也可供從事半導體照明研究和製造的科研人員和生產技術人 員參考。
國家半導體照明工程研發及產業聯盟秘書長 吳玲
北京新材料科技促進中心主任 ２０ ０９年５月４日
第二版前言
２ ０１ ４年１０月７日，諾貝爾物理學獎揭曉，赤崎勇、天野浩、中村修二因發明“高亮度藍色 發光二極管”而榮獲瑞典皇家科學院授予的２０ １ ４年度諾貝爾物理學獎。頒獎詞稱：藍光 ＬＥＤ 的出現使得我們可以用全新的方式創造白光。隨著 ＬＥＤ燈的誕生，我們有了更加持久、更加 高效的新技術來取代古老的光源。白熾燈照亮２ ０世紀，而ＬＥＤ燈將照亮２１世紀。此次獲獎 是對半導體照明產業巨大價值予以的最大肯定，也是對我國半導體照明產業界的充分肯定和 莫大鼓舞。 我國自２００３年６月啟動國家半導體照明工程以來，在薄弱的基礎上，努力拼搏，團結奮 進，建成了從上游材料、芯片到中、下游封裝應用，以及製造設備、測試儀器完整的產業鏈。 ２ ０１ ７年，半導體照明總產值達６５ ３０億元，與通用照明啟動的半導體照明元年―――２ ０１０年產值 的１２ ００億元相比增長了４ ３倍。通用照明已占應用市場的４７ ９％，成為應用市場的第一驅動 力。已有四五家企業超過５ ０億元營收規模，向１ ００億元進軍。全年ＬＥＤ照明產品產量達１ ０６ 億隻，同比增長３４％。國內市場滲透率達６ ５％。ＬＥＤ已成為主流光源。全年節電１９ ８３億千 瓦時，全年出口達１２９億美元，國際市場上８ ０％以上的產品產自中國。產業擁有ＭＯＣＶＤ設備 超過１７ ００台，占國際擁有量首位，而且國內已有多家企業批量生產 ＭＯＣＶＤ設備，並投入使 用。全套芯片、器件、燈具的自動化生產設備已能批量生產。我們已經成為半導體照明大國， 並且正在做強，照明強國雛形已現。我們已從早春二月，創造出陽春三月，正在創造ＬＥＤ照明 的四月豔陽天，從勝利走向輝煌，實現半導體照明的中國夢！ 《半導體照明技術》自２ ０ ０９年出版以來共印一萬多冊，深得讀者之厚愛。更值得欣慰的 是，書中所述各種技術已基本實現，僅有全ＬＥＤ白光和光子晶體這兩項技術尚待最後突破。 ２ ００ ９年以來半導體照明產業的蓬勃發展，不僅充實和豐富了原書提出的技術內容，還出 現了許多如芯片級封裝(ＣＳＰ)、智能燈具、ＣＯＢ組件、Ｍｉ ｃ ｒ ｏ－ＬＥＤ等新技術和新產品，顯色指 數、中間視覺、色容差等研究成果也開始付諸應用，大量的 ＬＥＤ照明燈具開始進入千家萬戶， 而科研和產業的發展還有更大的空間，預計到２０ ２ ０年左右，總產值將達萬億元。電子工業出 版社副總編輯趙麗松建議，對原版修改和增補，以新的面貌再版，使之更能反映當前該領域的 科技進步和最新科技成果，展示半導體照明研發和產業的發展方向。 本書可供半導體照明領域的科研人員和工程技術人員參考，也可作為高等院校相關專業 的教學參考書。 我對電子工業出版社的建議和鼎力支持深表感謝！限於時間倉促，書中不當和欠缺之處 在所難免，請讀者批評指正。 復旦大學　方志烈 ２０ １８年３月於上海

第1章光視覺顏色
11光
111光的本質
112光的產生和傳播
113人眼的光譜靈敏度
114光度學及其測量
12視覺
121作為光學系統的人眼
122視覺的特徵與功能
13顏色
131顏色的性質
132國際照明委員會色度學系統
133色度學及其測量
第2章光源
21自然光源
211太陽
212月亮和行星
22人工光源
221人工光源的發明與發展
222白熾燈
223鹵鎢燈
224熒光燈
225低壓鈉燈
226高壓放電燈
227無電極放電燈
228發光二極管
229照明的經濟核算
第3章半導體發光材料晶體導論
31晶體結構
311空間點陣
312晶面與晶向
313閃鋅礦結構、金剛石結構和纖鋅礦結構
314缺陷及其對發光的影響
32能帶結構
33半導體晶體材料的電學性質
331費米能級和載流子
332載流子的漂移和遷移率
333電阻率和載流子濃度
334壽命
34半導體發光材料的條件
341帶隙寬度合適
342可獲得電導率高的p型和n型晶體
343可獲得完整性好的優質晶體
344發光複合概率大
第4章半導體的激發與發光
41pn結及其特性
411理想的pn結
412實際的pn結
42注入載流子的複合
421複合的種類
422輻射型複合
423非輻射型複合
43輻射與非輻射複合之間的競爭
44異質結構和量子阱
441異質結構
442量子阱
第5章半導體發光材料體系
51砷化鎵
52磷化鎵
53磷砷化鎵
531GaAs060P040/GaAs
532晶體中的雜質和缺陷對發光效率的影響
54鎵鋁砷
55鋁鎵銦磷
56銦鎵氮
第6章半導體照明光源的發展和特徵參量
61發光二極管的發展
62發光二極管材料生長方法
63高亮度發光二極管芯片結構
631單量子阱(SQW)結構
632多量子阱(MQW)結構
633分佈布拉格反射(DBR)結構
634透明襯底技術(Transparent Substrate，TS)
635鏡面襯底(Mirror Substrate，MS)
636透明膠質黏結型
637表面紋理結構
64照明用LED的特徵參數和要求
641光通量
642發光效率
643顯色指數
644色溫
645壽命
646穩定性
647熱阻
648抗靜電性能
第7章磷砷化鎵、磷化鎵、鎵鋁砷材料生長
71磷砷化鎵氫化物氣相外延生長(HVPE)
72氫化物外延體系的熱力學分析
73液相外延原理
74磷化鎵的液相外延
741磷化鎵綠色發光材料外延生長
742磷化鎵紅色發光材料外延生長
75鎵鋁砷的液相外延
第8章鋁鎵銦磷發光二極管
81AlGaInP金屬有機物化學氣相沉積通論
811源材料
812生長條件
813器件生長
82外延材料的規模生產問題
821反應器問題:輸送和排空處理
822均勻性的重要性
823源的質量問題
824顏色控制問題
825生產損耗問題
83電流擴展
831歐姆接觸的改進
832p型襯底上生長
833電流擴展窗層
834氧化銦錫(ITO)
84電流阻擋結構
85光的取出
851上窗設計
852襯底吸收
853分佈布拉格反射LED
854GaP晶片黏結透明襯底LED
855膠質黏著(藍寶石晶片黏結)
856紋理表面結構
86芯片製造技術
87器件特性
第9章銦鎵氮發光二極管
91GaN生長
911未摻雜GaN
912n型GaN
913p型GaN
914GaN pn結LED
92InGaN生長
921未摻InGaN
922摻雜InGaN
93InGaN LED
931InGaN/GaN雙異質結LED
932InGalGaN雙異質結LED
933InGaN單量子阱(SQW)結構LED
934高亮度綠色和藍色LED
935InGaN多量子阱(MQW)結構LED
936紫外LED
937AlGaN深紫外LED
938矽襯底GaN藍光LED
94提高質量和降低成本的幾個重要技術問題
941襯底
942緩衝層
943激光剝離(LLO)
944氧化銦錫(ITO)
945表面紋理結構
946圖形襯底技術(PSS)
947微矩陣發光二極管(MALED)
948光子晶體(Photonic Crystal，PC)LED
949金屬垂直光子LED(MVP LED)
第10章LED芯片製造技術
101光刻技術
102氮化矽生長
103擴散
104歐姆接觸電極
105ITO透明電極
106表面粗化
107光子晶體
108激光剝離(Laser Liftoff，LLO)
109倒裝芯片技術
1010垂直結構芯片技術
1011芯片的切割
1012LED芯片結構的發展
第11章白光發光二極管
111新世紀光源的研製目標
112人造白光的最佳化
1121發光效率和顯色性的折中
1122二基色體系
1123多基色體系
113熒光粉轉換白光LED
1131二基色熒光粉轉換白光LED
1132多基色熒光粉轉換白光LED
1133紫外LED激發多基色熒光粉
114多芯片白光LED
1141二基色多芯片白光LED
1142多基色多芯片白光LED
第12章LED封裝技術
121LED器件的設計
1211設計原則
1212電學設計
1213熱學設計
1214光學設計
1215視覺因素
122LED封裝技術
1221小功率LED封裝
1222SMD LED的封裝
1223芯片級封裝(CSP)
1224大電流LED的封裝
1225功率LED的封裝
1226功率LED組件
1227銦鎵氮類LED的防靜電措施
第13章發光二極管的測試
131發光器件的效率
1311發光效率
1312功率效率
1313量子效率
132電學參數
1321伏安特性
1322總電容
133光電特性參數――光電響應特性
134光度學參數
1341法向光強I0的測定
1342發光強度角分佈(半強度角和偏差角)
1343總光通量的測量
1344量值傳遞
135色度學參數
1351光譜分佈曲線
1352光電積分法測量色度坐標
136熱學參數(結溫、熱阻)
137靜電耐受性
第14章發光二極管的可靠性
141LED可靠性概念
1411可靠性的含義
1412可靠度的定義
1413LED可靠性的相關概念
142LED的失效分析
1421芯片的退化
1422環氧系塑料的壽命分析
1423管芯的壽命分析
1424熒光粉的退化
143可靠性試驗
1431小功率LED環境試驗
1432功率LED環境試驗
144壽命試驗
1441磷化鎵發光器件的壽命試驗
1442功率LED(白光)長期工作壽命試驗
1443加速壽命試驗
145可靠性篩選
1451功率老化
1452高溫老化
1453濕度試驗
1454高低溫循環
1455其他項目的選用
146例行試驗和鑒定驗收試驗
1461例行試驗
1462鑒定驗收試驗
第15章有機發光二極管
151有機發光二極管材料
1511小分子有機物
1512高分子聚合物
1513鑭系金屬有機化合物
152有機發光二極管的結構和原理
153OLED實現白光的途徑
1531波長轉換
1532顏色混合
154有機發光二極管的驅動
155有機發光二極管研發現狀
第16章半導體照明驅動和控制
161LED驅動技術
1611LED的電學性能特點
1612電源驅動方案
1613驅動電路基本方案
1614LED驅動器的特性
1615LED與驅動器的匹配
162LED驅動器
1621電容降壓式LED驅動器
1622電感式LED驅動器
1623電荷泵式LED驅動器
1624LED恒流驅動器
163LED集成驅動電路
1631電荷泵驅動LED的典型電路
1632開關式DC/DC變換器驅動LED的典型電路
1633限流開關TPS2014/TPS2015
1634六路串聯白光LED驅動電路MAX8790
1635集成肖特基二極管的恒流白光LED驅動器LT3591
1636低功耗高亮度LED驅動器LM3404
1637具有診斷功能的16通道LED驅動器AS1110
1638高壓線性恒流LED驅動電路
164控制技術
1641調光
1642調色
1643調色溫
1644智能照明
第17章半導體照明應用
171半導體照明應用產品開發原則
1711要從LED的優點出發開發應用產品
1712應用產品市場啟動的判據――照明成本
1713應用產品的技術關鍵是散熱
1714遵循功率由低到高、技術由易到難的原則
1715造型設計要創新
1716照明燈具通則
172LED顯示屏
1721總體發展規模
1722產品技術完善
1723新品繼續拓展
173交通信號燈
1731道路交通信號燈
1732鐵路信號燈
1733機場信號燈
1734航標燈
1735路障燈
1736航空障礙燈
174景觀照明
1741城市景觀照明的功能作用
1742光源選擇