氮化镓(GaN)基半导体材料及器件

氮化镓（GaN）基半导体材料及器件

一、项目背景资料介绍

1、第三代半导体氮化镓（GaN）晶体

当今世界，被誉为IT产业发动机的半导体产业已诞生了以氮化镓（GaN）及其合金材料为代表的第三代材料，第一代和第二代半导体分别以硅和砷化镓为代表，而第三代半导体则以氮化镓（GaN）及其合金材料为代表。国内外都对该领域投入了大量的研究，美国和日本现已掌握生产纯蓝和纯绿光的氮化镓（GaN）基材料的生长工艺。我国已在实验室生产出氮化镓（GaN）基蓝色发光材料，目前正在进行产业化生产方面的研究。

2、氮化镓（GaN）基材料特点

以氮化镓（GaN）基材料为代表的III-V族宽带隙化合物半导体材料，内、外量子效率高，具有高发光效率，高热导率，耐高温，抗辐射，耐酸碱，高强度和高硬度等特性，是目前世界上最先进的半导体材料。

氮化镓（GaN）基材料可制成高效蓝、绿光发光二极管和激光二极管LD（又称激光器），并可延伸到白光，将替代人类沿用至今的照明系统。氮化镓（GaN）基材料还将带来IT行业存储技术的革命。

3、蓝色发光二极管（LED）

发光二极管是一种将电能转化为光能的发光器件，是在半导体P-N结、双异质结或多量子阱结构上通以正向电流时发出红外光、蓝光或紫外光等可见光的器件。

目前红、普绿、黄、橙黄等发光二极管的技术已经成熟而且已经产业化，构成全彩色的三原色光分别为RGB（Red、Green、Blue），即纯红光、纯绿光、纯蓝光，而纯绿、纯蓝发光二极管是长期困扰该行业的难题。蓝色发光二极管制作工艺上可分为三步：（1）发光晶体（上游产品）--氮化镓（GaN）基材料制作；（2）管芯（中游产品）制作；（3）管芯的封装。而从上游产品--氮化镓（GaN）基材料到中游产品--蓝、绿发光二极管LED和激光二极管LD（又称激光器）之间存在着很高的技术壁垒。

4、国外对蓝色发光二极管的研究和生产

九十年代中期以来，氮化镓（GaN）基材料及其合金在材料制备和发光器件制作等方面取得重大技术突破，成了全球半导体研究领域的前沿和热点。目前国际市场上只有日本Nichia、美国Cree等少数几家公司能生产蓝、绿光LED。

5、我国对蓝色发光二极管的研究

在我国，氮化镓（GaN）基半导体材料及器件被列为国家863计划项目。中国科学院半导体研究所是著名半导体材料及器件的研究机构，该所"国家光电子工艺中心"从事以III-V族半导体量子阱结构为基础的新一代光电子器件研究开发，承担了国家"863计划"项目蓝光LED研制和产业化技术，其开发研制的蓝光LED 管芯和蓝光LD的设计、制备和工艺等技术均处于国内顶尖水平。

以有突出贡献国家级中青年专家江风益教授为学科带头人的南昌大学材料科学研究所从1996年开始承担国家863计划项目"氮化镓（GaN）基蓝光材料的生长及发光器件的研制"任务，目前该项目已取得突破性进展，其研制的氮化镓蓝光材料的性能及技术指标已达到或部分超过该任务标准。

二、氮化镓（GaN）基半导体材料及器件的应用前景

1、应用于大屏幕、车灯、交通灯等领域

蓝色发光二极管（LED）解决了发光二极管的三原色的缺色问题，因此彻底解决大屏幕全彩色显示问题。蓝、绿光LED具有体积小、冷光源、响应时间短、发光效率高、防爆、节能、使用寿命长（使用寿命可达100000小时以上）等特点。因此蓝色发光二极管主要应用于大屏幕彩色显示、车辆及交通、多媒体显像、LCD背光源、光纤通讯、卫星通讯和海洋光通讯等领域。

2、奠定了解决白色发光二极管的基础，将改写人类照明历史

蓝光二极管的出现，不仅仅只是丰富了色彩，有了红橙黄绿青蓝紫全彩，更为重要的意义是出现的白色光-半导体灯。白色发光二极管将彻底改变人类照明历史，具有相当广阔的前景。白光半导体灯既是科技专家争先抢占的高新技术领域的制高点，又将是企业家获得巨大利润的市场。

由GaN蓝光LED发展为白色照明灯，目前有好几种途径，一种是由多个超高亮度红蓝绿三基色LED组成像素灯，这样不仅可以发出几十到几百烛光的白色照明光源，而且可以发出波长可以连续可调的各色光。如目前已有一种T6封装

的LED全色光源在市场上出售，它由四块芯片组成，一红一绿二蓝，用6根引脚分别寻址。发射的颜色根据加到每块芯片上的不同功率控制而改变。产生白光主要是控制加大电流通过蓝光LED，小电流通过红色和绿色LED而获得。另一种更为简便实用，也可能是以后应用的主要技术途径，即使用蓝光LED与荧光物质组合而成。荧光物质在蓝光照射下，产生并发射橙黄色光，利用蓝光和橙黄色光混合而得到白光。

目前，世界上生产蓝光二极管的半导体公司纷纷和老牌灯泡制造商结盟，抢占这个可以说是未来最大的照明市场。如美国惠普公司联合了日本日亚和德国西门子；美国CREE公司、德国西门子和奥斯林联合；美国EMCORE公司和通用电气公司联合等。其中的奥斯林和通用电气公司都是世界三大灯泡制造商之一。可见目前的半导体灯已对传统的白炽灯发起了挑战。

半导体灯具体积小、冷光源、响应时间短、发光效率高、防爆和节能可靠、寿命长、低压、省电、节能等优点。普通灯泡只能6000-10000小时，GaN白光LED 灯可用10万小时；可以说人的一生从建房开始就不用再更换了。而且其能耗仅为目前普通灯源的10%-20%。据预测，未来数年内，有半数以上的白炽灯将被白光LED取代，其市场潜力巨大。

3、带来数字化存储技术的革命

蓝色激光器（LD）将对IT业的数据存储产生革命性的影响。蓝光LD因具有短波长、体积小、容易制作高频调制等特点，将取代目前的红外光等激光器（目前的VCD和DVD的激光光头为红外光源），蓝光激光器读取器可将目前的信

息存储量提高数倍，并大大提高探测器的精确性及隐蔽性，在军用与民用领域有着很大的潜在市场。

一个完整的现代信息系统除了超大容量信息流的传输和超快的处理与交换功能外，还包括对输出信息的超量存储和快速读出的能力，它展现出一个社会对信息资源能共享的程度。磁盘存储技术已有相当成熟的发展，在影视、音响设备和技术机外部存储器中已经得到应用，然而磁盘存储素元尺寸难以进一步缩小，单软盘存储量很难突破100MB的容量。

光盘存储容量的提高取决于记录介质写入位元尺寸和写读光束的光斑：（1）CD-ROM是一种只读型数字式音频记录光盘，其用以读出的是780nm波长半导体激光源，单盘存储容量只能作到640MB；（2）DVD 即数字式视频光盘，其用以读出的是630nm波长半导体红光激光源，单面双层存储量2.5GB,双面达5GB （3）DVD-RAM 即可读可写的数字光盘，这种光盘要求必须配有二种波长的半导体激光器或是双波长激光器，GaN和ZnSe蓝绿光激光器的问世对光盘容量的提高寄予了很大的希望。蓝光波长为415 nm的GaN基量子阱激光器运作寿命已超过一万小时，它相对于780 nm近红外光衍射局限的光斑尺寸小3.5倍，因而单层存储量可达17.5GB，双层为36GB，GaN基量子阱材料有可能研制成350 nm 紫外激光器，双层为50GB。

4、军事领域有重要的用途