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(xiàng)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(yù)為IT產(chǎn)業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)內(nèi)外都對(duì)該領(lǐng)域投入了大量的研究，美國(guó)和日本現(xiàn)已掌握生產(chǎn)純藍(lán)和純綠光的氮化鎵（GaN）基材料的生長(zhǎng)工藝。我國(guó)已在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)出氮化鎵（GaN）基藍(lán)色發(fā)光材料，目前正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方面的研究。 2、氮化鎵（GaN）基材料特點(diǎn)    &

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(qiáng)度和高硬度等特性，是目前世界上最先進(jìn)的半導(dǎo)體材料。     氮化鎵（GaN）基材料可制成高效藍(lán)、綠光發(fā)光二極管和激光二極管LD（又稱(chēng)激光器），并可延伸到白光，將替代人類(lèi)沿用至今的照明系統(tǒng)。氮化鎵（GaN）基材料還將帶來(lái)IT行業(yè)存儲(chǔ)技術(shù)的革命。 3、藍(lán)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(shí)發(fā)出紅外光、藍(lán)光或紫外光等可見(jiàn)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(lán)光，而純綠、純藍(lán)發(fā)光二極管是長(zhǎng)期困擾該行業(yè)的難題。 藍(lán)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(lán)、綠發(fā)光二極管LED和激光二極管LD（又稱(chēng)激光器）之間存在著很高的技術(shù)壁壘。 4、國(guó)外對(duì)藍(lán)色發(fā)光二極管的

4、研究和生產(chǎn)     九十年代中期以來(lái)，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(diǎn)。目前國(guó)際市場(chǎng)上只有日本Nichia、美國(guó)Cree等少數(shù)幾家公司能生產(chǎn)藍(lán)、綠光LED。 5、我國(guó)對(duì)藍(lán)色發(fā)光二極管的研究     在我國(guó)，氮化鎵（GaN）基半導(dǎo)體材料及器件被列為國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目。中國(guó)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(jī)構(gòu)，該所"國(guó)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(kāi)發(fā)，承擔(dān)

5、了國(guó)家"863計(jì)劃"項(xiàng)目藍(lán)光LED研制和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，其開(kāi)發(fā)研制的藍(lán)光LED管芯和藍(lán)光LD的設(shè)計(jì)、制備和工藝等技術(shù)均處于國(guó)內(nèi)頂尖水平。     以有突出貢獻(xiàn)國(guó)家級(jí)中青年專(zhuān)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(kāi)始承擔(dān)國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目"氮化鎵（GaN）基藍(lán)光材料的生長(zhǎng)及發(fā)光器件的研制"任務(wù)，目前該項(xiàng)目已取得突破性進(jìn)展，其研制的氮化鎵藍(lán)光材料的性能及技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到或部分超過(guò)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(chē)燈、交通燈等領(lǐng)域   

6、  藍(lán)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(wèn)題，因此徹底解決大屏幕全彩色顯示問(wèn)題。藍(lán)、綠光LED具有體積小、冷光源、響應(yīng)時(shí)間短、發(fā)光效率高、防爆、節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)（使用壽命可達(dá)100000小時(shí)以上）等特點(diǎn)。因此藍(lán)色發(fā)光二極管主要應(yīng)用于大屏幕彩色顯示、車(chē)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(xiě)人類(lèi)照明歷史     藍(lán)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(lán)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?lèi)

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(zhuān)家爭(zhēng)先搶占的高新技術(shù)領(lǐng)域的制高點(diǎn)，又將是企業(yè)家獲得巨大利潤(rùn)的市場(chǎng)。     由GaN藍(lán)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(gè)超高亮度紅藍(lán)綠三基色LED組成像素?zé)?，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(zhǎng)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(chǎng)上出售，它由四塊芯片組成，一紅一綠二藍(lán)，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(guò)藍(lán)光LED，小電流通過(guò)紅色和綠色LED而獲得。另一種更為簡(jiǎn)便

8、實(shí)用，也可能是以后應(yīng)用的主要技術(shù)途徑，即使用藍(lán)光LED與熒光物質(zhì)組合而成。熒光物質(zhì)在藍(lán)光照射下，產(chǎn)生并發(fā)射橙黃色光，利用藍(lán)光和橙黃色光混合而得到白光。     目前，世界上生產(chǎn)藍(lán)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(gè)可以說(shuō)是未來(lái)最大的照明市場(chǎng)。如美國(guó)惠普公司聯(lián)合了日本日亞和德國(guó)西門(mén)子；美國(guó)CREE公司、德國(guó)西門(mén)子和奧斯林聯(lián)合；美國(guó)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?？梢?jiàn)目前的半導(dǎo)體燈已對(duì)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(shí)間短、發(fā)光效率高、防爆和節(jié)能可靠、壽命長(zhǎng)、低壓、省電、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。普通燈泡只能6000-10000小時(shí)，GaN白光LED燈可用10萬(wàn)小時(shí)；可以說(shuō)人的一生從建房開(kāi)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(cè)，未來(lái)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(chǎng)潛力巨大。 3、帶來(lái)數(shù)字化存儲(chǔ)技術(shù)的革命     藍(lán)色激光器（LD）將對(duì)IT業(yè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)產(chǎn)生革命性的影響。藍(lán)光LD因具有短波長(zhǎng)、體積小、容易制作高頻調(diào)制等特點(diǎn)，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(lán)光激光器讀取器可將目前的信息存儲(chǔ)量

10、提高數(shù)倍，并大大提高探測(cè)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(chǎng)。    一個(gè)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(duì)輸出信息的超量存儲(chǔ)和快速讀出的能力，它展現(xiàn)出一個(gè)社會(huì)對(duì)信息資源能共享的程度。磁盤(pán)存儲(chǔ)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(jī)外部存儲(chǔ)器中已經(jīng)得到應(yīng)用，然而磁盤(pán)存儲(chǔ)素元尺寸難以進(jìn)一步縮小，單軟盤(pán)存儲(chǔ)量很難突破100MB的容量。     光盤(pán)存儲(chǔ)容量的提高取決于記錄介質(zhì)寫(xiě)入位元尺寸和寫(xiě)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(pán)

11、，其用以讀出的是780nm波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光源，單盤(pán)存儲(chǔ)容量只能作到640MB；（2）DVD 即數(shù)字式視頻光盤(pán)，其用以讀出的是630nm波長(zhǎng)半導(dǎo)體紅光激光源，單面雙層存儲(chǔ)量2.5GB,雙面達(dá)5GB （3）DVD-RAM 即可讀可寫(xiě)的數(shù)字光盤(pán)，這種光盤(pán)要求必須配有二種波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器或是雙波長(zhǎng)激光器，GaN和ZnSe藍(lán)綠光激光器的問(wèn)世對(duì)光盤(pán)容量的提高寄予了很大的希望。藍(lán)光波長(zhǎng)為415 nm的GaN基量子阱激光器運(yùn)作壽命已超過(guò)一萬(wàn)小時(shí)，它相對(duì)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(chǔ)量可達(dá)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