新型半导体材料的研究和突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展.以氮化镓为代表的第三代半导体材料,是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表)和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表)之后,在近10年发展起来的新型宽带半导体材料.
GaN半导体材料的商业应用研究开始于1970年,其在高频和高温条件下能够激发蓝光的独特性质从一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣.但是GaN的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质进步和突破.1992年被誉为GaN产业应用鼻祖的美国Shuji Nakamura教授制造了第一支GaN发光二极管(LED);1999年日本Nichia公司制造了第一支GaN蓝光激光器,激光器的稳定性能相当于商用红光激光器.从1999年初到2001年底,GaN基半导体材料在薄膜和单晶生长技术、光电器件方面的重大技术突破有40多个.由于GaN半导体器件在光显示、光存储、激光打印、光照明以及医疗和军事等领域有着广阔的应用前景,GaN器件的广泛应用将预示着光电信息乃至光子信息时代的来临.因此,以GaN为代表的第三代半导体材料被誉为IT产业新的发动机.近几年世界各国政府有关机构、相关企业、以及风险投资公司纷纷加大了对GaN基半导体材料及其器件的研发投入和支持.美国政府2002年要求用于GaN相关研发的财政预算超过5500万美元.通用、飞利浦、Agilent等国际知名公司都已经启动了大规模的GaN基光电器件商用开发计划.风险投资机构同样表现出很大的兴趣,近三年内向该领域总计投入了约5亿美元的资金.
以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料,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,是世界上目前最先进的半导体材料.它的研究开发,不仅会带来IT行业数字化存储技术的革命,也将彻底改变人类传统照明的历史.
氮化镓材料可制成高效蓝、绿光发光二极管LED和激光二极管LD(又称激光器),并可延伸到白光LED,用高效率蓝绿光发光二极管制作的超大屏幕全色显示,可用于室内室外各种场合的动态信息显示,使超大型、全平面、高清晰、无辐射、低功耗、真彩色大屏幕在显示领域占有更大的比重.高效率白光发光二极管作为新型高效节能固体光源,使用寿命超过10万小时,可比白炽灯节电5-10倍,达到了节约资源、减少环境污染的双重目的.蓝光半导体激光器用于制作下一代DVD,可比现在的CD光盘提高存储密度20倍以上.另一方面,氮化镓材料宽带隙的特点也保证了它在高温、大功率以及紫外光探测器等半导体器件方面的应用前景,它具有高可靠性、高效率、快速响应、长寿命、全固体化、体积小等优点,在宇宙飞船、火箭羽烟探测、大气探测、火灾等领域内也将发挥重大作用.
预计在未来10年里,氮化镓材料将成为市场增幅最快的半导体材料,到2006年将达到30亿美元的产值,占化合物半导体市场总额的20%.同时,作为新型光显示、光存储、光照明、光探测器件,可促进上千亿美元相关设备、系统的新产业的形成.
我国政府高度重视第三代半导体材料的研究与开发,氮化镓基半导体材料及器件被列为国家“超级863”计划项目.中科院半导体所是我国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”承担了国家“863”计划项目“蓝光LED研制和产业化技术”.其蓝光发光二极管和蓝光激光器的设计、制备与工艺技术均处于国内顶尖水平.最近,深圳方大集团股份有限公司与中科院半导体研究所、南昌大学和深圳大学分别签署了第三代半导体材料及器件科研成果产业化协议,方大集团首期将投资8千万元,形成年产1.2亿只蓝光发光二极管的生产能力.
作为一种化合物半导体材料,GaN材料具有许多硅基半导体材料所不具备的优异性能,包括能够满足大功率、高温高频和高速半导体器件的工作要求.其中GaN区别于第一和第二代半导体材料最重要的物理特点是具有更宽的禁带,可以发射波长比红光更短的蓝光
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