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第三代半导体固态紫外光源材料及器件关键技术

2017-01-23 11:24
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第三代半导体材料主要包括氮化镓(Gallium Nitride, GaN)、碳化硅(Silicon Carbide, SiC)、氧化锌(Zinc Oxide, ZnO)、氮化铝(Aluminum Nitride, AlN)和金刚石等宽禁带半导体材料。与硅(Silicon, Si)、GaAs等半导体材料相比,第三代半导体材料禁带宽度大,具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高等优越性质。其中氮化物材料是第三代半导体材料中最引人瞩目的材料,尤其是GaN(氮化镓)基光电子器件在白光照明领域非常成功。然而蓝光LED(发光二极管)的技术专利受制于欧美日等从事该行业较早的国家。因此处于发展初期的基于AlGaN(铝镓氮)材料的紫外LED成为突破专利垄断的最佳领域。另外,紫外LED也是目前氮化物技术发展和第三代材料技术发展的主要趋势,拥有广阔的应用前景。

目前全球紫外光源市场规模约为4亿2700万美元,不过传统紫外汞灯仍然占据市场主导地位。和汞灯相比,近年发展迅速的紫外光LED光源,被公认具有8大优势。一是体积小,在便携式、高集成度产品方面有巨大潜力。二是坚固耐用,LED比石英玻璃外壳的汞灯耐冲击,不易发生破损。三是能源效率高,与汞灯相比,紫外光LED能量消耗最多可以低70%。四是环保,紫外LED不含有害物质汞,通过ROHS认证。五是工作电压低,紫外LED工作电压仅3-5伏左右,和高压汞灯相比,既提高了安全性,也降低了驱动电路成本。六是功率更易调节。七是散热系统要求低,进一步降低系统成本。八是光学系统简单,更符合实际应用需要,紫外LED不需要外加透镜就能得到紧凑的光束角和均匀的光束图,从而降低成本,增强系统可靠性。正因为这些优势,紫外LED技术正在成为固态紫外光源行业极具吸引力的选择方案。

同时,与传统紫外光源汞蒸汽灯、准分子激光器相比,固态紫外光源具有小巧便携、绿色环保、波长易调谐、电压低、功耗小、可集成等诸多优点,随着技术的不断进步,必将成为未来紫外光源的主流。在信息光存储中,数据密度由读写的光源波长决定。深紫外激光二极管由于极短的波长,相比于基于蓝光激光器的蓝光存储(blue-ray)技术,有望可将信息容量提升数十倍。在生化分析中,大多数生物分子含有的化学键在紫外光波段(270-350nm )有很强的光学共振,小型高效的紫外光源可以为生物探测和光电子学之间提供桥梁,使生物光子学的应用成为可能,例如基于荧光的bioagent识别等;光学检测也是研究蛋白质结构极为有效的方法,光学激发色氨酸和酪氨酸这两种极为重要的氨基酸需要275 nm 紫外光源。深紫外LED 是理想的新一代光源,市场潜力巨大,同时对智能制造和提升人民生活品质也将起到重要作用。

为了加快国内第三代半导体固态紫外光源的发展,国家科技部实施了重点研发计划专项,开展第三代半导体固态紫外光源材料及器件关键技术的研究工作。该项目由中国科学院半导体研究所牵头,集结了国内第三代半导体固态紫外光源领域的优势研究院所、高校及行业龙头和应用企业,集中专业技术力量对固态紫外光源进行技术攻关,以期在5-10年内追赶国际先进水平,同时尽快实现第三代半导体固态紫外光源的市场化应用,以市场促发展,带动国内第三代半导体固态紫外光源相关产业的发展。

中科院半导体所是国内最早开展氮化物材料研究的单位之一,承担并出色完成了多项国家重大研究任务。项目负责人“十一五”期间承担国家 863 前沿探索类课题“紫外 LED 用AlGaN材料生长研究”,实现了国内首个波长短于 300nm 的深紫外 LED 器件毫瓦级光功率输出,研究成果成为“十一五”863 计划新材料领域研究亮点,并获得“十一五”二期国家专项的进一步支持,承担 863 课题“深紫外 LED 制备和应用技术研究”,在基于AlN模板的 MOCVD 外延技术等方面取得了一系列成果,将深紫外 LED 性能提升近一倍。“十二五”承担国家 863 课题“深紫外 LED 外延生长及应用技术研究”,成果经专家组鉴定达到国内领先、国际先进水平。目前承担 863 课题“高铝组分氮化物材料制备技术研究”,国内首次实现室温近紫外 377nm 和深紫外 288nm 半导体激光器光泵浦激射。

本项目与以前的深紫外 LED 研究课题一脉相承,并由前期的前沿技术探索阶段转向共性关键技术突破阶段。半导体所材料和器件综合指标一直保持国内最好水平,高 Al组分材料质量位于国际最好水平;研发出国内第一支深紫外毫瓦级 LED 并始终保持效率领先;国内首次实现了GaN基蓝光激光器,首次实现室温近紫外 377nm 和深紫外 288nm的激光器光泵浦激射,保持着紫光激光器的领先优势;相关成果获得“国家技术发明二等奖”1 项,“国家科技进步二等奖”1 项,“北京市科技进步一等奖”1 项。为项目的顺利实施提供了坚实的技术保障。

研究机构Yole Development于2015年2月发布了最新的市场研究报告,市场在2015年之后将打破平静开始加速增长,在2018年将出现跨越式地增长,同时该机构认为驱动产业第一轮增长的主要因素是始于2012年的光固化应用,UV-LED取代汞灯的大趋势是这一轮增长的主要动力,而杀菌消毒及净化领域的应用将成为产业增长的第二轮驱动力,这一轮增长将从2017年开始。在不远的将来,光催化、杀菌消毒都有可能成长为数百亿级的市场,而用于治疗皮肤病的光疗则可能让UV-LED的应用系统成为千亿级的市场。

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