摘要：本文主要介紹了第三代半導體固態紫外光源材料及器件關鍵技術的研究目的、意義和社會影響力。

 

　　作者：孫莉莉，魏學成，閆建昌，王軍喜，中國科學院半導體研究所，中國科學院半導體照明研發中心

 

　　第三代半導體材料主要包括氮化鎵（Gallium Nitride, GaN）、碳化硅(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。與硅（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（發光二極管）的技術專利受制于歐美日等從事該行業較早的國家。因此處于發展初期的基于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占據市場主導地位。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，在便攜式、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沖擊，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、準分子激光器相比，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。深紫外激光二極管由于極短的波長，相比于基于藍光激光器的藍光存儲（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，例如基于熒光的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，市場潛力巨大，同時對智能制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，同時盡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，承擔并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于 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，并獲得“十一五”二期國家專項的進一步支持，承擔 863 課題“深紫外 LED 制備和應用技術研究”，在基于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”，成果經專家組鑒定達到國內領先、國際先進水平。目前承擔 863 課題“高鋁組分氮化物材料制備技術研究”，國內首次實現室溫近紫外 377nm 和深紫外 288nm 半導體激光器光泵浦激射。

 

　　本項目與以前的深紫外 LED 研究課題一脈相承，并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組分材料質量位于國際最好水平；研發出國內第一支深紫外毫瓦級 LED 并始終保持效率領先；國內首次實現了GaN基藍光激光器，首次實現室溫近紫外 377nm 和深紫外 288nm的激光器光泵浦激射，保持著紫光激光器的領先優勢；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于2015年2月發布了最新的市場研究報告，市場在2015年之后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于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，而殺菌消毒及凈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，而用于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。

 

　　結合國際上半導體紫外固態光源研究的主要發展趨勢，通過本項目的實施，依托我們的既有工作基礎和優勢，系統開展AlGaN基深紫外LED結構的外延生長、器件制備及封裝工藝的研究。本項目科學意義在于從國家經濟、社會發展和國防安全對第三代半導體固態紫外光源材料及器件的重大需求出發，建立相關的高Al組分材料機理理論和原始技術創新體系，攻克一系列相關的關鍵技術，獲得高質量材料，研制出高性能器件，開發相關產品并開展應用示范。同時培育和凝聚一支具有國際水平的研究隊伍，為 III 族氮化物半導體紫外LED在面向空氣和水凈化、其它殺菌領域等方面的重大應用奠定重要的科學基礎，并為國家安全和促進相關高技術產業的發展做出貢獻。

 

　　具體來看，首先可以促進國內固態紫外光源制造裝備的發展。目前國內外均沒有成熟的紫外光源制造的商業生長設備，可以說，大家處在同一個起跑線上，任何一個技術的突破都會帶來產業的巨大發展。通過發展高溫MOCVD裝備制造技術，可以帶動國內基礎制造業的發展。

 

　　其次可以促進國內材料、芯片等上游企業的發展。目前，藍光LED上游企業已處于飽和狀態，通過紫外光源的發展，可以促進上游LED企業的轉型和升級，帶動國內高新技術產業的發展。

 

　　最后通過應用產品開發，可以促進國內封裝、應用等下游應用企業的發展。利用紫外LED的殺菌功效，就可以在白色家電產品中廣泛應用，例如冰箱、空調、洗衣機、空氣凈化器、飲水機等等都會采用紫外LED來殺菌消毒，這些產品中的殺菌功能將會成為產品的標配功能。僅中國的冰箱、空調、洗衣機、空氣凈化器、飲水機等產品，每種產品每年的產銷量就達到幾千萬、甚至上億臺。據統計，2013年我國冰箱、洗衣機、空調、空氣凈化器、飲水機的總產量為30,486萬臺。如果在這些產品中都使用紫外LED燈進行殺菌消毒，將會是一個廣闊的應用市場，這些原有市場的替代和新市場應用的產生必將極大提高人民的生活水平，為任何時候任何地點提供清潔的空氣，清潔的水，改善生活環境讓更多的人享有健康。同時LED的長產業鏈和人才技術密集特點也將產生成千上萬的就業機會，對社會產生積極影響，獲得良好的社會效益。

 

　　“第三代半導體固態紫外光源材料及器件關鍵技術”重點研發計劃專項的實施，是國家科技體制改革的重要變化之一，通過集中國內最優勢的團隊進行技術攻關，重點突出，以點帶面，全面促進國內科技創新和技術突破。