氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體材料及器件

1、氮化鎵（GaN）基半導(dǎo)體材料及器件一、項目背景資料介紹1、第三代半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）晶體     當(dāng)今世界，被譽為IT產(chǎn)業(yè)發(fā)動機的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已誕生了以氮化鎵（GaN）及其合金材料為代表的第三代材料，第一代和第二代半導(dǎo)體分別以硅和砷化鎵為代表，而第三代半導(dǎo)體則以氮化鎵（GaN）及其合金材料為代表。國內(nèi)外都對該領(lǐng)域投入了大量的研究，美國和日本現(xiàn)已掌握生產(chǎn)純藍和純綠光的氮化鎵（GaN）基材料的生長工藝。我國已在實驗室生產(chǎn)出氮化鎵（GaN）基藍色發(fā)光材料，目前正在進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方面的研究。 2、氮化鎵（GaN）基材料特點    &

2、#160;以氮化鎵（GaN）基材料為代表的III-V族寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，內(nèi)、外量子效率高，具有高發(fā)光效率，高熱導(dǎo)率，耐高溫，抗輻射，耐酸堿，高強度和高硬度等特性，是目前世界上最先進的半導(dǎo)體材料。     氮化鎵（GaN）基材料可制成高效藍、綠光發(fā)光二極管和激光二極管LD（又稱激光器），并可延伸到白光，將替代人類沿用至今的照明系統(tǒng)。氮化鎵（GaN）基材料還將帶來IT行業(yè)存儲技術(shù)的革命。 3、藍色發(fā)光二極管（LED）     發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)光器件，是在半導(dǎo)體P-N結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)或多量子阱結(jié)構(gòu)上

3、通以正向電流時發(fā)出紅外光、藍光或紫外光等可見光的器件。     目前紅、普綠、黃、橙黃等發(fā)光二極管的技術(shù)已經(jīng)成熟而且已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，構(gòu)成全彩色的三原色光分別為RGB（Red、Green、Blue），即純紅光、純綠光、純藍光，而純綠、純藍發(fā)光二極管是長期困擾該行業(yè)的難題。 藍色發(fā)光二極管制作工藝上可分為三步：（1）發(fā)光晶體（上游產(chǎn)品）-氮化鎵（GaN）基材料制作；（2）管芯（中游產(chǎn)品）制作；（3）管芯的封裝。而從上游產(chǎn)品-氮化鎵（GaN）基材料到中游產(chǎn)品-藍、綠發(fā)光二極管LED和激光二極管LD（又稱激光器）之間存在著很高的技術(shù)壁壘。 4、國外對藍色發(fā)光二極管的

4、研究和生產(chǎn)     九十年代中期以來，氮化鎵（GaN）基材料及其合金在材料制備和發(fā)光器件制作等方面取得重大技術(shù)突破，成了全球半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的前沿和熱點。目前國際市場上只有日本Nichia、美國Cree等少數(shù)幾家公司能生產(chǎn)藍、綠光LED。 5、我國對藍色發(fā)光二極管的研究     在我國，氮化鎵（GaN）基半導(dǎo)體材料及器件被列為國家863計劃項目。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所是著名半導(dǎo)體材料及器件的研究機構(gòu)，該所"國家光電子工藝中心"從事以III-V族半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的新一代光電子器件研究開發(fā)，承擔(dān)

5、了國家"863計劃"項目藍光LED研制和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，其開發(fā)研制的藍光LED管芯和藍光LD的設(shè)計、制備和工藝等技術(shù)均處于國內(nèi)頂尖水平。     以有突出貢獻國家級中青年專家江風(fēng)益教授為學(xué)科帶頭人的南昌大學(xué)材料科學(xué)研究所從1996年開始承擔(dān)國家863計劃項目"氮化鎵（GaN）基藍光材料的生長及發(fā)光器件的研制"任務(wù)，目前該項目已取得突破性進展，其研制的氮化鎵藍光材料的性能及技術(shù)指標(biāo)已達到或部分超過該任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。 二、氮化鎵（GaN）基半導(dǎo)體材料及器件的應(yīng)用前景 1、應(yīng)用于大屏幕、車燈、交通燈等領(lǐng)域   

6、  藍色發(fā)光二極管（LED）解決了發(fā)光二極管的三原色的缺色問題，因此徹底解決大屏幕全彩色顯示問題。藍、綠光LED具有體積小、冷光源、響應(yīng)時間短、發(fā)光效率高、防爆、節(jié)能、使用壽命長（使用壽命可達100000小時以上）等特點。因此藍色發(fā)光二極管主要應(yīng)用于大屏幕彩色顯示、車輛及交通、多媒體顯像、LCD背光源、光纖通訊、衛(wèi)星通訊和海洋光通訊等領(lǐng)域。 2、奠定了解決白色發(fā)光二極管的基礎(chǔ)，將改寫人類照明歷史     藍光二極管的出現(xiàn)，不僅僅只是豐富了色彩，有了紅橙黃綠青藍紫全彩，更為重要的意義是出現(xiàn)的白色光-半導(dǎo)體燈。白色發(fā)光二極管將徹底改變?nèi)祟?/p>

7、照明歷史，具有相當(dāng)廣闊的前景。白光半導(dǎo)體燈既是科技專家爭先搶占的高新技術(shù)領(lǐng)域的制高點，又將是企業(yè)家獲得巨大利潤的市場。     由GaN藍光LED發(fā)展為白色照明燈，目前有好幾種途徑，一種是由多個超高亮度紅藍綠三基色LED組成像素?zé)簦@樣不僅可以發(fā)出幾十到幾百燭光的白色照明光源，而且可以發(fā)出波長可以連續(xù)可調(diào)的各色光。如目前已有一種T6封裝的LED全色光源在市場上出售，它由四塊芯片組成，一紅一綠二藍，用6根引腳分別尋址。發(fā)射的顏色根據(jù)加到每塊芯片上的不同功率控制而改變。產(chǎn)生白光主要是控制加大電流通過藍光LED，小電流通過紅色和綠色LED而獲得。另一種更為簡便

8、實用，也可能是以后應(yīng)用的主要技術(shù)途徑，即使用藍光LED與熒光物質(zhì)組合而成。熒光物質(zhì)在藍光照射下，產(chǎn)生并發(fā)射橙黃色光，利用藍光和橙黃色光混合而得到白光。     目前，世界上生產(chǎn)藍光二極管的半導(dǎo)體公司紛紛和老牌燈泡制造商結(jié)盟，搶占這個可以說是未來最大的照明市場。如美國惠普公司聯(lián)合了日本日亞和德國西門子；美國CREE公司、德國西門子和奧斯林聯(lián)合；美國EMCORE公司和通用電氣公司聯(lián)合等。其中的奧斯林和通用電氣公司都是世界三大燈泡制造商之一。可見目前的半導(dǎo)體燈已對傳統(tǒng)的白熾燈發(fā)起了挑戰(zhàn)。    半導(dǎo)體燈具體積小、冷光源、

9、響應(yīng)時間短、發(fā)光效率高、防爆和節(jié)能可靠、壽命長、低壓、省電、節(jié)能等優(yōu)點。普通燈泡只能6000-10000小時，GaN白光LED燈可用10萬小時；可以說人的一生從建房開始就不用再更換了。而且其能耗僅為目前普通燈源的10%-20%。據(jù)預(yù)測，未來數(shù)年內(nèi)，有半數(shù)以上的白熾燈將被白光LED取代，其市場潛力巨大。 3、帶來數(shù)字化存儲技術(shù)的革命     藍色激光器（LD）將對IT業(yè)的數(shù)據(jù)存儲產(chǎn)生革命性的影響。藍光LD因具有短波長、體積小、容易制作高頻調(diào)制等特點，將取代目前的紅外光等激光器（目前的VCD和DVD的激光光頭為紅外光源），藍光激光器讀取器可將目前的信息存儲量

10、提高數(shù)倍，并大大提高探測器的精確性及隱蔽性，在軍用與民用領(lǐng)域有著很大的潛在市場。    一個完整的現(xiàn)代信息系統(tǒng)除了超大容量信息流的傳輸和超快的處理與交換功能外，還包括對輸出信息的超量存儲和快速讀出的能力，它展現(xiàn)出一個社會對信息資源能共享的程度。磁盤存儲技術(shù)已有相當(dāng)成熟的發(fā)展，在影視、音響設(shè)備和技術(shù)機外部存儲器中已經(jīng)得到應(yīng)用，然而磁盤存儲素元尺寸難以進一步縮小，單軟盤存儲量很難突破100MB的容量。     光盤存儲容量的提高取決于記錄介質(zhì)寫入位元尺寸和寫讀光束的光斑：（1）CD-ROM是一種只讀型數(shù)字式音頻記錄光盤

11、，其用以讀出的是780nm波長半導(dǎo)體激光源，單盤存儲容量只能作到640MB；（2）DVD 即數(shù)字式視頻光盤，其用以讀出的是630nm波長半導(dǎo)體紅光激光源，單面雙層存儲量2.5GB,雙面達5GB （3）DVD-RAM 即可讀可寫的數(shù)字光盤，這種光盤要求必須配有二種波長的半導(dǎo)體激光器或是雙波長激光器，GaN和ZnSe藍綠光激光器的問世對光盤容量的提高寄予了很大的希望。藍光波長為415 nm的GaN基量子阱激光器運作壽命已超過一萬小時，它相對于780 nm近紅外光衍射局限的光斑尺寸小3.5倍，因而單層存儲量可達17.5GB，雙層為36GB，GaN基量子阱材料有可能研制成350 nm紫外激光器，雙層為50GB。 4、軍事領(lǐng)域有重要的用途