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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

摘要:本文重要介绍了第三代半导体固态紫外光源材料及器材症结技巧的研讨方针、含义和社会影响力。
作者:孙莉莉,魏学成,闫建昌,王军喜, 单元:我国科学院半导体研讨所,我国科学院半导体照明研制中心
第三代半导体材料重要包括氮化镓(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等半导体材料比较,第三代半导体材料禁带宽度年夜,具有击穿电场高、热导率高、电子饱满速度高档优胜性质。个中氮化物材料是第三代半导体材料中最惹人凝视的材料,尤其是GaN(氮化镓)基光电子器材在白光照明领域反常成功。
但是蓝光LED(发光二极管)的技巧专利受制于欧美日等从事该职业较早的国度。是以处于生长初期的根据AlGaN(铝镓氮)材料的紫外LED成为突破专利独占的最佳领域。其他,紫外LED也是今朝氮化物技巧生长和第三代材料技巧生长的重要趋向,具有广阔的运用前景。
今朝全球紫外光源商场规模约为4亿2700万美元,不过传统紫外汞灯依然占领商场主导方位。和汞灯比较,近年生长灵敏的紫外光LED光源,被公认具有8年夜优势。一是体积小,在便携式、高集成度产品方面有巨大潜力。 二是结实经用,LED比石英玻璃外壳的汞灯耐冲击,不易发作破损。 三是动力效能高,与汞灯比较,紫外光LED能量消费最多能够低70%。 四是环保,紫外LED不含有害物资汞,经由进程ROHS认证。 五是作业电压低,紫外LED作业电压仅3-5伏尊下,和高压汞灯比较,既前进了安全性,也下降了驱动电路本钱。 六是功率更易调理。 七是散热系统恳求低,进一步下降系统本钱。 八是光学系统简略,更相符实际运用需要,紫外LED不需要外加透镜就能取得紧凑的光束角和均匀的光束图,然后下降本钱,加强系统靠得住性。
正由于这些优势,紫外LED技巧正在成为固态紫外光源职业极具吸引力的挑选方案。
一起,与传统紫外光源汞蒸汽灯、准分子激光器比较,固态紫外光源具有细巧便携、绿色环保、波长易调谐、电压低、功耗小、可集成等许多利益,跟着技巧的赓续前进,必将成为将来紫外光源的干流。在信息光存储中,数据密度由读写的光源波长抉择。深紫外激光二极管由于极短的波长,比较于根据蓝光激光器的蓝光存储(blue-ray)技巧,有望可将信息容量提升数十倍。
在生化分析中,年夜八成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认为生物勘探和光电子学之间供应桥梁,使生物光子学的运用成为可能,例如根据荧光的bioagent辨认等;光学检测也是研讨卵白质结构极为有用的方法,光学激起色氨酸和酪氨酸这两种极为首要的氨基酸需要275 nm 紫外光源。深紫外LED 是梦想的新一代光源,商场潜力巨大,一起对智能制造和提升国民生计道德也将起到首要感染。
为了加速国内第三代半导体固态紫外光源的生长,国度科技部实施了要点研制谋划专项,展开第三代半导体固态紫外光源材料及器材症结技巧的研讨作业。该项目由我国科学院半导体研讨所牵头,集结了国内第三代半导体固态紫外光源领域的优势研讨院所、高校及职业龙头和运用企业,会集专业技巧力气对固态紫外光源进行技巧攻关,以期在5-10年内追逐世界前辈程度,一起赶快完成第三代半导体固态紫外光源的商场化运用,以商场促生长,带动国内第三代半导体固态紫外光源相干家当的生长。
中科院半导体所是国内最早展开氮化物材料研讨的单元之一,承当并精彩完成了多项国度重年夜研讨责任。项目负责人“十一五”年代承当国度 863 前沿探索类课题“紫外 LED 用AlGaN材料展开研讨”,完成了国内首个波长短于 300nm 的深紫外 LED 器材毫瓦级光功率输出,研讨成果成为“十一五”863 谋划新材料领域研讨亮点,并取得“十一五”二期国度专项的进一步支撑,承当 863 课题“深紫外 LED 制备和运用技巧研讨”,在根据AlN模板的 MOCVD 外延技巧等方面取得了一系列成果,将深紫外 LED 机能提升近一倍。“十二五”承当国度 863 课题“深紫外 LED 外延展开及运用技巧研讨”,成果经专家组断定抵达国内抢先、世界前辈程度。今朝承当 863 课题“高铝组分氮化物材料制备技巧研讨”,国内初度完成室温近紫外 377nm 和深紫外 288nm 半导体激光器光泵浦激射。
本项目与曾经的深紫外 LED 研讨课题一脉相承,并由前期的前沿技巧探索阶段转向共性症结技巧突破阶段。半导体所材料和器材归纳方针一贯坚持国内最好程度,高 Al组分材料质量坐落世界最好程度;研制出国内第一支深紫外毫瓦级 LED 并一直坚持效能抢先;国内初度完成了GaN基蓝光激光器,初度完成室温近紫外 377nm 和深紫外 288nm的激光器光泵浦激射,坚持着紫光激光器的抢先优势;相干成果取得“国度技巧发明二等奖”1 项,“国度科技前进二等奖”1 项,“北京市科技前进一等奖”1 项。为项方针顺利实施供应了坚实的技巧保证。
研讨组织Yole Development于2015年2月宣告了最新的商场研讨申报,商场在2015年之后将打破冷静初步加速添加,在2018年将出现跨越式地添加,一起该组织认为驱动家当第一轮添加的重要身分是始于2012年的光固化运用,UV-LED代替汞灯的年夜趋向是这一轮添加的重要动力,而灭菌消毒及净化领域的运用将成为家当添加的第二轮驱动力,这一轮添加将从2017年初步。在不远的未来,光催化、灭菌消毒都有可能生长为数百亿级的商场,而用于医治皮肤病的光疗则可能让UV-LED的运用系统成为千亿级的商场。
联合世界上半导体紫外固态光源研讨的重要生长趋向,经由进程本项方针实施,依托我们的既有作业根本和优势,系统展开AlGaN基深紫外LED结构的外延展开、器材制备及封装工艺的研讨。
本项目科学含义在于从国度经济、社会生长和国防安全对第三代半导体固态紫外光源材料及器材的重年夜需求启航,建立相干的高Al组分材料机理理论和原始技巧立异系统,强占一系列相干的症结技巧,取得高质量材料,研制出高机能器材,拓荒相干产品并展开运用演示。
一起培育和凝聚一支具有世界程度的研讨部队,为 III 族氮化物半导体紫外LED在面向空气和水净化、其它灭菌领域等方面的重年夜运用奠基首要的科学根本,并为国度安全和增进相干高技巧家当的生长做出进献。
详细来看,首先能够增进国内固态紫外光源制造设备的生长。今朝国表里均没有老练的紫外光源制造的交易展开配备,能够说,年夜家处在一致个起跑线上,任何一个技巧的突破都邑带来家当的巨大生长。经由进程生长高温MOCVD设备制造技巧,能够带动国内根本制造业的生长。
其次能够增进国内材料、芯片等上游企业的生长。今朝,蓝光LED上游企业已处于饱满状况,经由进程紫外光源的生长,能够增进上游LED企业的转型和进级,带动国内高新技巧家当的生长。
终究经由进程运用产品拓荒,能够增进国内封装、运用等下贱运用企业的生长。使用紫外LED的灭菌功用,就能够在白色家电产品中遍及运用,例如冰箱、空调、洗衣机、空气净化器、饮水机等等都邑采纳紫外LED来灭菌消毒,这些产品中的灭菌成效将会成为产品的标配成效。仅我国的冰箱、空调、洗衣机、空气净化器、饮水机等产品,每种产品每年的产销量就抵达几万万、乃至上亿台。
据统计,2013年我国冰箱、洗衣机、空调、空气净化器、饮水机的总产量为30,486万台。假设在这些产品中都使用紫外LED灯进行灭菌消毒,将会是一个广阔的运用商场,这些原有商场的代替和新商场运用的发作必将极年夜前进国民的生计程度,为任何时刻任何地点供应洁净的空气,洁净的水,改进生计状况让更多的人享有健康。一起LED的长家当链和人才技巧密布特征也将发作不计其数的工作机会,对社会发作积极影响,取得优胜的社会效益。
“第三代半导体固态紫外光源材料及器材症结技巧”要点研制谋划专项的实施,是国度科技系统编制改造的首要改变之一,经由进程会集国内最优势的团队进行技巧攻关,要点凸起,以点带面,周全增进国内科技立异和技巧突破。
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