氮化鎵(GaN)基半導體材料及器件

氮化錢(GaN)基半導體材料及器件一、項目背景資料介紹1、第三代半導體氮化錢(GaN)晶體當今世界，被譽為IT產業(yè)發(fā)動機的半導體產業(yè)已誕生了以氮化錢(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體分別以硅和碎化錢為代表，而第三代半導體則以氮化錢(GaN)及其合金材料為代表。國內外都對該領域投入了大量的研究，美國和日本現已掌握生產純藍和純綠光的氮化錢(GaN)基材料的生長工藝。我國已在實驗室生產出氮化錢(GaN)基藍色發(fā)光材料，目前正在進行產業(yè)化生產方面的研究。2、氮化錢(GaN)基材料特點以氮化錢(GaN)基材料為代表的HI-V族寬帶隙化合物半導體材料，內、外量子效率高，具有高發(fā)光效率，高熱導率，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體材料。氮化鐵(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)。氮化鐵(GaN)基材料還將帶來IT行業(yè)存儲技術的革命。3、藍色發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管是一種將電能轉化為光能的發(fā)光器件，是在半導體P-N結、雙異質結或多量子阱結構上通以正向電流時發(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)光二極管的技術已經成熟而且已經產業(yè)化，構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（上游產品）-氮化錢（GaN）基材料制作；（2）管芯（中游產品）缶U作；（3）管芯的封裝。而從上游產品-氮化錢（GaN）基材料到中游產品-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壁壘。4、國外對藍色發(fā)光二極管的研究和生產九十年代中期以來，氮化錢（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突破，成了全球半導體研究領域的前沿和熱點。目前國際市場上只有日本Nichia、美國Cree等少數幾家公司能生產藍、綠光LED。5、我國對藍色發(fā)光二極管的研究在我國，氮化像（GaN）基半導體材料及器件被列為國家863計劃項目。中國科學院半導體研究所是著名半導體材料及器件的研究機構，該所”國家光電子工藝中心”從事以IH-V族半導體量子阱結構為基礎的新一代光電子器件研究開發(fā)，承擔了國家“863計劃”項目藍光LED研制和產業(yè)化技術，其開發(fā)研制的藍光LED管芯和藍光LD的設計、制備和工藝等技術均處于國內頂尖水平。以有突出貢獻國家級中青年專家江風益教授為學科帶頭人的南昌大學材料科學研究所從1996年開始承擔國家863計劃項目"氮化錢(GaN)基藍光材料的生長及發(fā)光器件的研制”任務，目前該項目已取得突破性進展，其研制的氮化錢藍光材料的性能及技術指標已達到或部分超過該任務標準。二、氮化錢(GaN)基半導體材料及器件的應用前景1、應用于大屏幕、車燈、交通燈等領域藍色發(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1000()。小時以上)等特點。因此藍色發(fā)光二極管主要應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域。2、奠定了解決白色發(fā)光二極管的基礎，將改寫人類照明歷史藍光二極管的出現，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的白色光-半導體燈。白色發(fā)光二極管將徹底改變人類照明歷史，具有相當廣闊的前景。白光半導體燈既是科技專家爭先搶占的高新技術領域的制高點，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組成像素燈，這樣不僅可以發(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)射的顏色根據加到每塊芯片上的不同功率控制而改變。產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。另一種更為簡便實用，也可能是以后應用的主要技術途徑，即使用藍光LED與熒光物質組合而成。熒光物質在藍光照射下，產生并發(fā)射橙黃色光，利用藍光和橙黃色光混合而得到白光。目前，世界上生產藍光二極管的半導體公司紛紛和老牌燈泡制造商結盟，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合；美國EMCORR公司和通用電氣公司聯合等。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?？梢娔壳暗陌雽w燈已對傳統(tǒng)的白熾燈發(fā)起了挑戰(zhàn)。半導體燈具體積小、冷光源、響應時間短、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%o據預測，未來數年內，有半數以上的白熾燈將被白光LED取代，其市場潛力巨大。3、帶來數字化存儲技術的革命藍色激光器（LD）將對IT業(yè)的數據存儲產生革命性的影響。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提高數倍，并大大提高探測器的精確性及隱蔽性，在軍用與民用領域有著很大的潛在市場。一個完整的現代信息系統(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，它展現出一個社會對信息資源能共享的程度。磁盤存儲技術已有相當成熟的發(fā)展，在影視、音響設備和技術機外部存儲器中已經得到應用，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寫入位元尺寸和寫讀光束的光斑：(1)CD-ROM是一種只讀型數字式音頻記錄光盤，其用以讀出的是780nm波長半導體激光源，單盤存儲容量只能作到640MB;(2)DVD即數字式視頻光盤，其用以讀出的是630nm波長半導體紅光激光源，單面雙層存儲量2.5GB,雙面達5GB(3)DVD-RAM即可讀可寫的數字光盤，這種光盤要求必須配有二種波長的半導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415nm的GaN基量子阱激光器運作壽命已超過一萬小時，它相對于780nm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350nm紫外激