硅襯底藍色發(fā)光器在業(yè)內引發(fā)照明工業(yè)革命

硅襯底藍色發(fā)光器在業(yè)內引發(fā)照明工業(yè)革命

“業(yè)內普遍認為，半導體發(fā)光燈替代傳統(tǒng)燈，如同半導體晶體管替代真空電子管一樣意義重大而深遠。”教育部發(fā)光材料與器件工程研究中心主任江風益教授向記者透露：“我們已經(jīng)成功研制出硅襯底GaN藍色發(fā)光二極管材料及器件，現(xiàn)在小試已經(jīng)完成，正在進行中試?！?

　　據(jù)介紹，發(fā)光二極管（LED)是一種冷光源，加上3伏特左右的電壓、通上毫安量級的電流就可以發(fā)出一定顏色的光，是電子信息技術領域主要基礎元器件之一。過去，它通常用于各種工業(yè)設備、儀器儀表、通訊、交通、金融、家用電器、室內外裝飾等作信息的指示、顯示和傳遞。如果用它代替?zhèn)鹘y(tǒng)燈來照明，會有哪些好處？ “理論上預計，半導體照明燈的發(fā)光效率可以達到甚至超過白熾燈的10倍、日光燈的2倍。因而將具有顯著的節(jié)能效果。”江風益告訴記者，“同時，它還有尺寸小，可以做成各種形狀；具有方向性，色彩鮮明；結構牢固，抗沖擊和抗震能力強；超長壽命，可達100000小時；無紅外線和紫外線輻射；無汞，有利于環(huán)保等眾多優(yōu)點。”

　　制造半導體照明燈的主要方案是：用藍光激發(fā)稀土熒光粉，合成出白光。于是，藍色發(fā)光二極管成為其核心部分。 江風益介紹：“現(xiàn)有的幾種藍色發(fā)光二極管制備技術都存在一些缺陷，比如目前占有主導地位的‘藍寶石襯底GaN基LED’，盡管還在提高材料生長和器件制造水平，但藍寶石襯底不導電，導熱性能差，劃片困難，抗靜電能力差，倒裝焊工藝復雜，而且橫向電阻大，高電流密度下工作電壓高，浪費能耗，不利于半導體照明光源的技術向前推進?！蓟枰r底GaN基LED’，由于其襯底導電導熱，在目前半導體照明芯片上占有優(yōu)勢，將在一定時間范圍內領先其他技術方案，但是其價格高，劃片困難。另外，‘氮化鎵襯底GaN基LED’，外延材料質量可以明顯提高，但同樣存在價格太高的問題，而且器件加工也是難題。在此情況下，硅襯底成為研究人員矚目的焦點。”

　　對于在硅襯底上制備發(fā)光器件，江風益用“這是光電子領域里夢寐以求的一件事”來形容。相對于藍寶石與碳化硅襯底而言，硅片作為GaN材料的襯底有許多優(yōu)點，如：良好的導電、導熱性，晶體質量高、尺寸大、成本低、易加工等。但由于GaN外延材料與硅襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，因此在硅襯底上很難得到器件質量的GaN材料。雖然近年來在硅襯底上制備GaN材料及器件已有較多的報導，如美、德、日等國都先后在硅襯底上研制出GaN基LED，但所報道的光輸出功率最高僅為2mW，其材料與器件質量還不能與藍寶石上的相比。然而，各國科學家的夢想在發(fā)光材料與器件工程研究中心成為了現(xiàn)實。國家863計劃納米專項、863計劃光電子主題等重點資助下，中心成功的在硅襯底上研制出GaN藍色發(fā)光二極管外延材料及器件，在兩英寸外延片內LED芯片的工作電壓小于3.5V，光輸出功率大于5mW，獲得了可以實用的性能優(yōu)良的Si襯底GaN藍光LED器件，主要性能指標好于同類器件中目前文獻報道的水平。

　　“這一突破性進展表明，在硅襯底上外延GaN基LED，原先擔心的‘龜裂、晶體質量差、P型摻雜困難、工作電壓高、發(fā)光強度低、可靠性差’等所有問題全部可以克服?！苯L益表示，“尤其這種技術路線在焊接剝離方面具有非常大的優(yōu)勢，便于制造高反光層P型接觸電極和高出光率的N型表面，便于降低工作電壓，沒有橫向電阻便于在大電流密度下工作，便于散熱，抗靜電能力強?！?

　　據(jù)悉，這一成果在2005年4月廈門半導體照明國際論壇中報道后，國際同行專家評價為目前國際最好結果。國內同行專家評價該成果為：研制成功并具有國際一流水平的硅襯底藍光二極管材料及器件，對我國發(fā)光材料與器件領域的發(fā)展具有重大現(xiàn)實意義和產(chǎn)業(yè)價值。

　　在實驗室里，江風益向記者展示了硅襯底GaN藍色發(fā)光二極管。隨著電源接通，小小的二極管放射出璀璨的光芒，雖然是白天，依舊光彩奪目。他說：“如果是用藍寶石，達到這個亮度很正常，但是用硅就已經(jīng)很不容易了。我們正在和有實力的投資方進行產(chǎn)業(yè)化合作談判，爭取在年底之內將這一產(chǎn)品推向市場?！?/div>