第三代半導體固態紫外光源材料及器件關鍵技術

2020-11-24 OFweek維科網

第三代半導體材料主要包括氮化鎵（Gallium Nitride， GaN）、碳化矽（Silicon Carbide， SiC）、氧化鋅（Zinc Oxide， ZnO）、氮化鋁（Aluminum Nitride， AlN）和金剛石等寬禁帶半導體材料。與矽（Silicon， Si）、GaAs等半導體材料相比，第三代半導體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高等優越性質。其中氮化物材料是第三代半導體材料中最引人矚目的材料，尤其是GaN（氮化鎵）基光電子器件在白光照明領域非常成功。然而藍光LED（發光二極體）的技術專利受制於歐美日等從事該行業較早的國家。因此處於發展初期的基於AlGaN（鋁鎵氮）材料的紫外LED成為突破專利壟斷的最佳領域。另外，紫外LED也是目前氮化物技術發展和第三代材料技術發展的主要趨勢，擁有廣闊的應用前景。

目前全球紫外光源市場規模約為4億2700萬美元，不過傳統紫外汞燈仍然佔據市場主導地位。和汞燈相比，近年發展迅速的紫外光LED光源，被公認具有8大優勢。一是體積小，在可攜式、高集成度產品方面有巨大潛力。二是堅固耐用，LED比石英玻璃外殼的汞燈耐衝擊，不易發生破損。三是能源效率高，與汞燈相比，紫外光LED能量消耗最多可以低70％。四是環保，紫外LED不含有害物質汞，通過ROHS認證。五是工作電壓低，紫外LED工作電壓僅3－5伏左右，和高壓汞燈相比，既提高了安全性，也降低了驅動電路成本。六是功率更易調節。七是散熱系統要求低，進一步降低系統成本。八是光學系統簡單，更符合實際應用需要，紫外LED不需要外加透鏡就能得到緊湊的光束角和均勻的光束圖，從而降低成本，增強系統可靠性。正因為這些優勢，紫外LED技術正在成為固態紫外光源行業極具吸引力的選擇方案。

同時，與傳統紫外光源汞蒸汽燈、準分子雷射器相比，固態紫外光源具有小巧便攜、綠色環保、波長易調諧、電壓低、功耗小、可集成等諸多優點，隨著技術的不斷進步，必將成為未來紫外光源的主流。在信息光存儲中，數據密度由讀寫的光源波長決定。深紫外雷射二極體由於極短的波長，相比於基於藍光雷射器的藍光存儲（blue－ray）技術，有望可將信息容量提升數十倍。在生化分析中，大多數生物分子含有的化學鍵在紫外光波段（270－350nm ）有很強的光學共振，小型高效的紫外光源可以為生物探測和光電子學之間提供橋梁，使生物光子學的應用成為可能，例如基於螢光的bioagent識別等；光學檢測也是研究蛋白質結構極為有效的方法，光學激發色氨酸和酪氨酸這兩種極為重要的胺基酸需要275 nm 紫外光源。深紫外LED 是理想的新一代光源，市場潛力巨大，同時對智能製造和提升人民生活品質也將起到重要作用。

為了加快國內第三代半導體固態紫外光源的發展，國家科技部實施了重點研發計劃專項，開展第三代半導體固態紫外光源材料及器件關鍵技術的研究工作。該項目由中國科學院半導體研究所牽頭，集結了國內第三代半導體固態紫外光源領域的優勢研究院所、高校及行業龍頭和應用企業，集中專業技術力量對固態紫外光源進行技術攻關，以期在5－10年內追趕國際先進水平，同時儘快實現第三代半導體固態紫外光源的市場化應用，以市場促發展，帶動國內第三代半導體固態紫外光源相關產業的發展。

中科院半導體所是國內最早開展氮化物材料研究的單位之一，承擔並出色完成了多項國家重大研究任務。項目負責人「十一五」期間承擔國家 863 前沿探索類課題「紫外 LED 用AlGaN材料生長研究」，實現了國內首個波長短於 300nm 的深紫外 LED 器件毫瓦級光功率輸出，研究成果成為「十一五」863 計劃新材料領域研究亮點，並獲得「十一五」二期國家專項的進一步支持，承擔 863 課題「深紫外 LED 製備和應用技術研究」，在基於AlN模板的 MOCVD 外延技術等方面取得了一系列成果，將深紫外 LED 性能提升近一倍。「十二五」承擔國家 863 課題「深紫外 LED 外延生長及應用技術研究」，成果經專家組鑑定達到國內領先、國際先進水平。目前承擔 863 課題「高鋁組分氮化物材料製備技術研究」，國內首次實現室溫近紫外 377nm 和深紫外 288nm 半導體雷射器光泵浦激射。

本項目與以前的深紫外 LED 研究課題一脈相承，並由前期的前沿技術探索階段轉向共性關鍵技術突破階段。半導體所材料和器件綜合指標一直保持國內最好水平，高 Al組分材料質量位於國際最好水平；研發出國內第一支深紫外毫瓦級 LED 並始終保持效率領先；國內首次實現了GaN基藍光雷射器，首次實現室溫近紫外 377nm 和深紫外 288nm的雷射器光泵浦激射，保持著紫光雷射器的領先優勢；相關成果獲得「國家技術發明二等獎」1 項，「國家科技進步二等獎」1 項，「北京市科技進步一等獎」1 項。為項目的順利實施提供了堅實的技術保障。

研究機構Yole Development於2015年2月發布了最新的市場研究報告，市場在2015年之後將打破平靜開始加速增長，在2018年將出現跨越式地增長，同時該機構認為驅動產業第一輪增長的主要因素是始於2012年的光固化應用，UV－LED取代汞燈的大趨勢是這一輪增長的主要動力，而殺菌消毒及淨化領域的應用將成為產業增長的第二輪驅動力，這一輪增長將從2017年開始。在不遠的將來，光催化、殺菌消毒都有可能成長為數百億級的市場，而用於治療皮膚病的光療則可能讓UV－LED的應用系統成為千億級的市場。

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