{RT}Ⅲ族氮化物发光二极管技术及其应用-李晋闽,王军喜,刘喆 科学出版社 9787030 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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李晋闽，王军喜，刘喆 著

图书标签:

• 氮化物发光二极管
• GaN
• LED
• 半导体照明
• 材料科学
• 光电子技术
• 照明工程
• 科学出版社
• 李晋闽
• 王军喜

店铺： 华裕京通图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030472649

商品编码：29739934876

包装：圆脊精装

出版时间：2016-05-01

图书基本信息
图书名称	Ⅲ族氮化物发光二极管技术及其应用	作者	李晋闽,王军喜,刘喆
定价	148.00元	出版社	科学出版社
ISBN	9787030472649	出版日期	2016-05-01
字数		页码
版次	1	装帧	圆脊精装

内容简介

本书以作者及其研究团队多年的研究成果为基础，系统地介绍了Ⅲ族氮化物发光二极管的材料外延、芯片制作、器件封装和系统应用，内容集学术性与实用性为一体。全书共12章，内容包括：Ⅲ族氮化物LED的基本原理、材料性质及外延生长理论，InGaN/GaN多量子阱材料及蓝、绿光LED，AlGaN/GaN多量子阱材料及紫外LED，Ⅲ族氮化物LED量子效率提升技术、关键制备工艺、封装技术及可靠性分析，LED的应用，后介绍了当前氮化物LED的一些研究前沿和热点。

作者简介

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目录

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文摘

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序言

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固态照明的未来：III族氮化物半导体材料的探索与革新 引言 在日新月异的科技浪潮中，照明技术正经历着一场深刻的变革。从白炽灯的温和辉光到荧光灯的节能高效，再到如今的LED（发光二极管）时代，人类对光的追求从未停止。而在这场变革中，III族氮化物半导体材料，尤其是以氮化镓（GaN）为代表的材料体系，正以前所未有的速度和广度，驱动着固态照明技术的飞跃式发展。它们不仅是实现高效、长寿命、色彩丰富的LED光源的基石，更在激光器、探测器等领域展现出巨大的潜力，预示着一个更加智能、节能、可持续的光明未来。 本书将带领读者深入探索III族氮化物半导体材料的奥秘，从其基础物理特性出发，逐步深入到材料生长、器件制造、以及在照明及相关领域的广泛应用。我们旨在提供一个全面而详尽的视角，揭示这一前沿材料体系如何从实验室走向工业化生产，如何改变我们的生活方式，以及未来可能带来的颠覆性影响。 第一章：III族氮化物半导体材料的基础理论与特性 本章将为读者构建起理解III族氮化物材料的关键知识框架。我们将首先介绍III族氮化物半导体家族的主要成员，如氮化镓（GaN）、氮化铓（InN）、氮化铝（AlN）及其固溶体（如InGaN、AlGaN、AlInGaN等）。重点阐述这些材料独特的晶体结构，特别是其纤锌矿（wurtzite）结构的特点，以及为何这种结构赋予了它们优异的光电特性。 我们将深入探讨III族氮化物的电子能带结构，包括其直接带隙的性质，这是实现高效光发射的根本原因。详细分析在不同组分比例下，InGaN固溶体带隙的连续变化，从而解释为何能够实现从紫外到可见光甚至近红外区域的光发射。同时，我们还将讨论载流子输运特性，包括高电子迁移率和饱和速度，这些特性对于高频和高功率器件的设计至关重要。 此外，本章将深入研究III族氮化物材料的极化效应，包括本征极化和压电极化。重点解释这些极化效应如何导致巨大的内建电场，从而影响载流子复合效率，并深入分析其在LED器件中的“量子限制斯塔克效应”（QCSE）。理解这些基础物理特性，是后续理解材料生长、器件设计与性能优化的前提。 第二章：III族氮化物材料的生长与制备技术 实现III族氮化物高性能器件的关键在于高质量材料的制备。本章将详细介绍目前主流的III族氮化物外延生长技术，包括金属有机化学气相外延（MOCVD）和分子束外延（MBE）。我们将深入剖析MOCVD技术的工艺流程、关键生长参数（如温度、压力、气体流量、前驱体选择等）对材料质量的影响，以及如何通过优化生长条件来获得低缺陷密度、高均匀度的氮化物薄膜。 对于MBE技术，我们将介绍其独特的生长机理、优势与劣势，以及在特定应用场景下的适用性。同时，本章还将重点关注衬底材料的选择与制备。由于III族氮化物晶体与常用衬底（如蓝宝石、碳化硅）之间存在较大的晶格失配和热失配，我们将详细讨论如何通过缓冲层技术（如低温氮化铝缓冲层、AlGaN/GaN超晶格缓冲层）来抑制位错的产生，提高外延层的结晶质量。 此外，本章还将涵盖III族氮化物材料的掺杂技术，包括n型掺杂（如硅掺杂）和p型掺杂（如镁掺杂）。重点分析p型掺杂的挑战，如镁的激活问题，以及通过后处理技术（如退火、电子束辐照）来提高p型掺杂的浓度和导电性。我们将讨论如何通过精确控制掺杂浓度和分布，来优化pn结的电学性能，为高效发光器件的构建奠定基础。 第三章：III族氮化物发光二极管（LED）的器件结构与工作原理 本章将聚焦于III族氮化物在LED领域的应用，详细解析LED器件的结构、工作原理以及关键的性能参数。我们将首先介绍典型的GaN基LED器件结构，包括衬底、缓冲层、n型GaN层、发光层（通常是InGaN/GaN多量子阱结构）、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN层以及接触层。 重点深入讲解多量子阱（MQW）结构的发光机理。解释载流子如何被注入到量子阱中，以及量子限制效应如何影响电子-空穴复合过程。我们将详细分析InGaN组分、量子阱宽度、垒层厚度以及量子阱数量等因素对发光波长、量子效率以及器件性能的影响。 此外，本章还将详细讨论LED器件中的能量损耗机制，包括非辐射复合、俄歇复合、缺陷辅助俄歇复合以及漏电等。重点分析“量子限制斯塔克效应”（QCSE）如何导致载流子在量子阱中分离，降低辐射复合效率，并探讨通过优化器件结构（如采用无极化设计、插入超晶格势垒等）来抑制QCSE的策略。 我们将介绍衡量LED性能的关键参数，如外量子效率（EQE）、电流密度、光通量、显色指数（CRI）以及色温等。通过对这些参数的深入理解，读者将能够更好地评估和比较不同LED器件的设计和性能。 第四章：III族氮化物LED的发光机制与颜色调控 要实现全彩LED显示，精确控制LED的发光颜色至关重要。本章将深入探讨III族氮化物LED的发光机制，并详细阐述实现不同颜色（从紫外、蓝光、绿光、黄光到红光）的策略。 我们将从第一性原理出发，解释InGaN合金中，随着In含量的增加，带隙能量减小，导致发光波长红移。深入分析In组分的非均匀分布（即“In纳米团簇”）对发光特性的影响，以及如何通过优化生长工艺来控制In组分的均匀性，从而实现稳定、窄带的发射。 对于实现绿光及更长波长的LED，我们将重点讨论其面临的挑战，如In组分过高导致的材料质量下降、In偏析效应以及严重的QCSE。我们将介绍目前用于解决这些挑战的先进技术，例如： 超晶格结构： 通过引入超晶格结构，可以有效缓解In组分过高带来的材料问题，并改善载流子注入和复合效率。 宽带隙势垒材料： 使用AlGaN等宽带隙材料作为势垒层，可以有效抑制电子溢出，提高激子形成效率，从而提升发光效率。 红移机制的探索： 除了In组分，我们还将探讨其他可能影响发光波长的因素，如应力、量子限制效应的调控等。 新型发光材料： 介绍对新材料体系（如AlInGaN）的研究进展，以及其在实现特定波长发光方面的潜力。 本书还将探讨如何通过多颗不同颜色的LED芯片集成，实现白光LED的制造。我们将详细介绍两种主要的白光LED制造技术： 荧光粉转换技术： 解释如何利用蓝光或紫外LED芯片激发不同颜色的荧光粉（如YAG:Ce3+、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉等）产生黄色、绿色、红色光，与蓝色光混合形成白光。我们将讨论不同荧光粉的特性、激发-发射光谱，以及如何通过荧光粉的组合与配比来调控白光的色温和显色指数。 RGB三基色集成技术： 介绍将红、绿、蓝三色LED芯片直接集成在一个封装中，通过调节各色LED的输出亮度来产生各种颜色的白光，以及实现全彩色显示的原理。 第五章：III族氮化物LED在照明领域的应用与发展 本章将深入探讨III族氮化物LED在现代照明领域的广泛应用，以及其所带来的颠覆性变革。我们将从通用照明出发，详细阐述LED照明相对于传统照明的优势，包括： 高能效： 显著降低能源消耗，为节能减排做出贡献。 长寿命： 大幅延长灯具使用寿命，减少维护成本。 环保性： 不含汞等有害物质，更加符合环保要求。 设计灵活性： 尺寸小巧，易于集成，为创新灯具设计提供可能。 快速响应与调光： 瞬时点亮，易于实现无闪烁调光，提供更舒适的照明体验。 我们将详细分析LED照明在各个细分领域的应用，例如： 室内照明： 居家、办公、商业场所等，重点关注LED灯具的光效、显色性、色温可调性以及智能控制。 室外照明： 道路照明、景观照明、公共区域照明，强调LED的耐候性、可靠性以及节能优势。 特种照明： 植物照明（光谱可调）、医疗照明（杀菌、辅助诊断）、以及用于特殊场景的功能性照明。 此外，本章还将探讨LED照明技术的最新发展趋势，包括： 高功率LED： 满足大功率照明需求，如体育场馆、工业照明等。 集成化与智能化： 将LED芯片与驱动电路、控制系统集成，实现智能化照明，例如与物联网（IoT）技术的结合，实现远程控制、场景模式设置、人体感应等功能。 新型封装技术： 提高LED的光提取效率、散热性能和可靠性。 对人体视觉健康的影响： 讨论LED照明中蓝光辐射的潜在影响，以及如何通过技术手段（如优化光谱、减少蓝光溢出）来改善照明的健康性。 第六章：III族氮化物在其他光电器件领域的应用潜力 III族氮化物半导体材料的优异特性，使其在LED之外的其他光电器件领域也展现出巨大的应用潜力。本章将对这些前沿应用进行深入探讨。 1. III族氮化物紫外LED与激光器： 紫外LED： GaN基紫外LED（UV-LED）能够发射200nm至400nm范围内的紫外光。我们将详细介绍其在杀菌消毒（如饮用水净化、空气消毒、医疗设备灭菌）、固化（如UV胶水、油墨）、防伪检测、以及荧光激发等领域的应用。重点分析UV-LED相较于传统紫外光源（如汞灯）的优势，包括体积小、寿命长、能耗低、无汞环保等。 紫外激光器： GaN基紫外激光器是实现高功率、窄带宽紫外光源的关键技术。我们将探讨其在材料加工、光谱分析、光通信、以及生物医学成像等领域的潜在应用。 2. III族氮化物光电探测器： 紫外探测器： GaN基紫外探测器在光通信、火焰探测、大气监测、以及空间科学等领域具有重要应用。我们将分析其工作原理、性能特点（如高灵敏度、宽光谱响应、耐高温等），以及与其他半导体材料探测器（如Si、InGaAs）的比较。 可见光和红外探测器： 虽然GaN基材料在可见光和红外探测领域的研究相对较少，但随着材料体系的不断拓展和器件结构的优化，其在这些领域的应用潜力也值得关注。 3. III族氮化物在电力电子领域的应用： 高电子迁移率晶体管（HEMT）： GaN基HEMT因其高击穿电压、高电子迁移率和高截止频率，在射频功率放大器、开关器件等领域已得到广泛应用。我们将简要介绍其基本结构和优势，以及在通信、雷达、电源管理等领域的应用前景。虽然本节并非聚焦于光电器件，但HEMT的高速开关特性对驱动LED和激光器等光电器件的性能至关重要，具有相关的技术联系。 4. III族氮化物在其他新兴领域的探索： 固态激光雷达（LiDAR）： GaN基激光器在开发更小巧、更经济、更高性能的LiDAR系统方面具有巨大潜力，尤其是在自动驾驶领域。 光通信： GaN基器件在光通信系统中的应用，如高速调制器和探测器。 光电集成： III族氮化物与其他半导体材料（如Si、SOI）的集成，实现更复杂、更强大的光电器件。 结论 III族氮化物半导体材料以其独特的光电特性，正在深刻地改变着我们对光和电的认知与利用方式。从照亮我们生活空间的LED灯具，到驱动信息时代的高速电子器件，再到展望未来的智能感应系统，GaN及其相关材料的研究与应用，无疑是当代半导体科技领域最激动人心的篇章之一。 本书旨在通过系统性的梳理和深入的分析，为读者呈现III族氮化物技术的全景图。我们希望本书能够激发读者对这一前沿领域的兴趣，为相关领域的研究人员、工程师、学生以及任何对科技创新充满好奇心的读者，提供有价值的参考和启示。随着技术的不断进步和应用的持续拓展，III族氮化物材料必将在未来的科技发展中扮演更加重要的角色，为人类创造更加光明、高效、可持续的未来。

评分☆☆☆☆☆

初捧此书，我被那深邃的封面设计所吸引，那种将复杂的科学概念以近乎艺术化的方式呈现出来的功力，着实令人赞叹。尽管我并非半导体物理的科班出身，但书中对Ⅲ族氮化物这一新兴领域的系统梳理，却如同为我打开了一扇通往微观世界的大门。作者们显然在这方面浸淫多年，文字之间流露出一种对基础理论的深刻洞察力，尤其是在描述材料生长机制和载流子输运过程时，那种逻辑的严密性和细节的把控，让人感觉作者不是在“解释”知识，而是在“构建”一个完整的认知体系。我特别欣赏其中对于不同晶型结构对器件性能影响的对比分析，它不仅仅停留在表面的参数罗列，而是深入挖掘了物理本质上的差异。对于想要跨界了解这个高技术领域，或者希望夯实自己基础理论的工程师和研究生来说，这本书无疑提供了一个极其扎实、且富有启发性的起点。它没有采取那种过于教科书式的枯燥叙述，反而多了一些探索的乐趣，仿佛在引导读者一同走过研发过程中的每一个关键节点，去体会那些看似微小的工艺调整如何引发宏观性能的巨大飞跃。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我感到“醍醐灌顶”的，或许是它对未来发展趋势的洞察力。在对现有技术瓶颈进行剖析时，作者并没有停留在抱怨困难的层面，而是前瞻性地指出了几个极具潜力的研究方向，特别是关于深紫外和红外波段氮化物器件的探索，这些内容读起来让人对这个领域未来的突破充满期待。它所呈现的不仅仅是当前技术的“快照”，更像是一幅正在绘制中的“技术蓝图”。作者们对前沿文献的把握非常敏锐，能够将最新的、尚未形成主流的学术观点融入到整体的框架中，让读者在学习经典知识的同时，也对尚未解决的挑战保持清醒的认识。这种“立足当下，着眼未来”的视角，对于鼓励年轻一代科研人员投身到更有挑战性的课题中去，无疑具有积极的引导作用。读完后，我的研究思路似乎一下子开阔了许多，感觉自己不再只是局限于手头的项目，而是站在了整个学科前沿的交叉路口。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值，我认为很大程度上体现在其对工程实践的指导意义上。读到涉及器件结构优化和失效分析的部分时，我深切感受到作者团队在实际工作中积累的宝贵经验。很多我们私下讨论却难以找到权威佐证的“经验之谈”，在这里都能找到严谨的理论支撑和实验数据的佐证。例如，书中对钝化层选择的探讨，不仅仅给出了几种常见的材料，更是结合实际的温度循环和长期工作状态，分析了它们在界面态密度控制上的优劣，这种“知其然并知其所以然”的阐述，对于我们进行产品可靠性设计至关重要。以往参考的文献多是零散的、侧重于单点突破的，而这本书的结构就像一张精密的路线图，将从材料制备到最终封装测试的每一个环节都串联起来，清晰地展示了技术链条上的薄弱环节和潜在的优化空间。这对于我这种需要将实验室成果转化为量产产品的研发人员来说，简直是一部实用的“抗错指南”。

评分☆☆☆☆☆

从阅读的流畅度和整体的可读性角度来看，这本书的编排非常用心。它似乎预设了一个拥有一定基础，但渴望系统化学习的读者群体。第一部分奠定的理论基础厚重而不晦涩，后续章节则自然而然地将理论模型应用于实际器件的设计与优化之中，过渡得非常平滑。特别是对新型发光机制的介绍部分，作者在保证科学准确性的同时，避免了过多的数学推导陷阱，而是聚焦于概念的清晰传达。我注意到，书中多次使用了对比图表和流程图，极大地帮助了理解那些抽象的物理过程，比如异质结的能带结构对激子限制效率的影响，通过图形化展示，瞬间就变得直观明了。我甚至觉得，如果能将书中的一些关键实验流程设计成可供操作的脚本，那它就不仅仅是一本理论著作，而是一套完整的技术培训手册了。这种将深度理论与实用方法论紧密结合的写作手法，是很多专业书籍所欠缺的。

评分☆☆☆☆☆

总的来说，这本书的编撰质量极高，体现了作者团队深厚的学术积淀和严谨的治学态度。它的语言风格是那种沉稳、内敛，但信息密度极高的类型，适合需要精确信息的专业人士。书中的引文和注释体系也相当完善，为需要进一步深入研究特定子领域的读者提供了清晰的指引路径，这使得它具备了很高的学术参考价值。我特别欣赏它对技术细节的坦诚——既展示了氮化物LED的辉煌成就，也毫不避讳地指出了当前寿命、效率和成本控制上面临的挑战。这种平衡的视角，反而增加了书籍的可信度。它不夸大成果，而是脚踏实地地展示了实现高性能光电器件所必须跨越的层层技术障碍。对于任何一个希望在这个高精尖领域做出实质性贡献的人来说，这本书都应该被视为案头必备的参考工具书，其价值绝非短期阅读所能完全体现，而需要在长期的研发工作中反复查阅和印证。