趁著(zhù)第三代半導體的東風(fēng)，紫外LED要做弄潮兒

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(chǎng)高、熱導率高、電子飽和速率高等優(yōu)越性質(zhì)。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(lǐng)域非常成功。然而藍光LED（發(fā)光二極管）的技術(shù)專(zhuān)利受制于歐美日等從事該行業(yè)較早的國家。因此處于發(fā)展初期的基于A(yíng)lGaN（鋁鎵氮）材料的紫外LED成為突破專(zhuān)利壟斷的最佳領(lǐng)域。另外，紫外LED也是目前氮化物技術(shù)發(fā)展和第三代材料技術(shù)發(fā)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(chǎng)規模約為4億2700萬(wàn)美元，不過(guò)傳統紫外汞燈仍然占據市場(chǎng)主導地位。和汞燈相比，近年發(fā)展迅速的紫外光LED光源，被公認具有8大優(yōu)勢。一是體積小，在便攜式、高集成度產(chǎn)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(fā)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(huán)保，紫外LED不含有害物質(zhì)汞，通過(guò)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(dòng)電路成本。六是功率更易調節。七是散熱系統要求低，進(jìn)一步降低系統成本。八是光學(xué)系統簡(jiǎn)單，更符合實(shí)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(yōu)勢，紫外LED技術(shù)正在成為固態(tài)紫外光源行業(yè)極具吸引力的選擇方案。

同時(shí)，與傳統紫外光源汞蒸汽燈、準分子激光器相比，固態(tài)紫外光源具有小巧便攜、綠色環(huán)保、波長(cháng)易調諧、電壓低、功耗小、可集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，必將成為未來(lái)紫外光源的主流。在信息光存儲中，數據密度由讀寫(xiě)的光源波長(cháng)決定。深紫外激光二極管由于極短的波長(cháng)，相比于基于藍光激光器的藍光存儲（blue－ray）技術(shù)，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(xué)鍵在紫外光波段（270－350nm ）有很強的光學(xué)共振，小型高效的紫外光源可以為生物探測和光電子學(xué)之間提供橋梁，使生物光子學(xué)的應用成為可能，例如基于熒光的bioagent識別等；光學(xué)檢測也是研究蛋白質(zhì)結構極為有效的方法，光學(xué)激發(fā)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(chǎng)潛力巨大，同時(shí)對智能制造和提升人民生活品質(zhì)也將起到重要作用。

為了加快國內第三代半導體固態(tài)紫外光源的發(fā)展，國家科技部實(shí)施了重點(diǎn)研發(fā)計劃專(zhuān)項，開(kāi)展第三代半導體固態(tài)紫外光源材料及器件關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。該項目由中國科學(xué)院半導體研究所牽頭，集結了國內第三代半導體固態(tài)紫外光源領(lǐng)域的優(yōu)勢研究院所、高校及行業(yè)龍頭和應用企業(yè)，集中專(zhuān)業(yè)技術(shù)力量對固態(tài)紫外光源進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，以期在5－10年內追趕國際先進(jìn)水平，同時(shí)盡快實(shí)現第三代半導體固態(tài)紫外光源的市場(chǎng)化應用，以市場(chǎng)促發(fā)展，帶動(dòng)國內第三代半導體固態(tài)紫外光源相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

中科院半導體所是國內最早開(kāi)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(wù)。項目負責人“十一五”期間承擔國家 863 前沿探索類(lèi)課題“紫外 LED 用AlGaN材料生長(cháng)研究”，實(shí)現了國內首個(gè)波長(cháng)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(lǐng)域研究亮點(diǎn)，并獲得“十一五”二期國家專(zhuān)項的進(jìn)一步支持，承擔 863 課題“深紫外 LED 制備和應用技術(shù)研究”，在基于A(yíng)lN模板的 MOCVD 外延技術(shù)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(cháng)及應用技術(shù)研究”，成果經(jīng)專(zhuān)家組鑒定達到國內領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。目前承擔 863 課題“高鋁組分氮化物材料制備技術(shù)研究”，國內首次實(shí)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(shù)探索階段轉向共性關(guān)鍵技術(shù)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(zhì)量位于國際最好水平；研發(fā)出國內第一支深紫外毫瓦級 LED 并始終保持效率領(lǐng)先；國內首次實(shí)現了GaN基藍光激光器，首次實(shí)現室溫近紫外 377nm 和深紫外 288nm的激光器光泵浦激射，保持著(zhù)紫光激光器的領(lǐng)先優(yōu)勢；相關(guān)成果獲得“國家技術(shù)發(fā)明二等獎”1 項，“國家科技進(jìn)步二等獎”1 項，“北京市科技進(jìn)步一等獎”1 項。為項目的順利實(shí)施提供了堅實(shí)的技術(shù)保障。

研究機構Yole Development于2015年2月發(fā)布了最新的市場(chǎng)研究報告，市場(chǎng)在2015年之后將打破平靜開(kāi)始加速增長(cháng)，在2018年將出現跨越式地增長(cháng)，同時(shí)該機構認為驅動(dòng)產(chǎn)業(yè)第一輪增長(cháng)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(cháng)的主要動(dòng)力，而殺菌消毒及凈化領(lǐng)域的應用將成為產(chǎn)業(yè)增長(cháng)的第二輪驅動(dòng)力，這一輪增長(cháng)將從2017年開(kāi)始。在不遠的將來(lái)，光催化、殺菌消毒都有可能成長(cháng)為數百億級的市場(chǎng)，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(chǎng)。

結合國際上半導體紫外固態(tài)光源研究的主要發(fā)展趨勢，通過(guò)本項目的實(shí)施，依托我們的既有工作基礎和優(yōu)勢，系統開(kāi)展AlGaN基深紫外LED結構的外延生長(cháng)、器件制備及封裝工藝的研究。本項目科學(xué)意義在于從國家經(jīng)濟、社會(huì )發(fā)展和國防安全對第三代半導體固態(tài)紫外光源材料及器件的重大需求出發(fā)，建立相關(guān)的高Al組分材料機理理論和原始技術(shù)創(chuàng )新體系，攻克一系列相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，獲得高質(zhì)量材料，研制出高性能器件，開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品并開(kāi)展應用示范。同時(shí)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(lǐng)域等方面的重大應用奠定重要的科學(xué)基礎，并為國家安全和促進(jìn)相關(guān)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出貢獻。

具體來(lái)看，首先可以促進(jìn)國內固態(tài)紫外光源制造裝備的發(fā)展。目前國內外均沒(méi)有成熟的紫外光源制造的商業(yè)生長(cháng)設備，可以說(shuō)，大家處在同一個(gè)起跑線(xiàn)上，任何一個(gè)技術(shù)的突破都會(huì )帶來(lái)產(chǎn)業(yè)的巨大發(fā)展。通過(guò)發(fā)展高溫MOCVD裝備制造技術(shù)，可以帶動(dòng)國內基礎制造業(yè)的發(fā)展。

其次可以促進(jìn)國內材料、芯片等上游企業(yè)的發(fā)展。目前，藍光LED上游企業(yè)已處于飽和狀態(tài)，通過(guò)紫外光源的發(fā)展，可以促進(jìn)上游LED企業(yè)的轉型和升級，帶動(dòng)國內高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

最后通過(guò)應用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，可以促進(jìn)國內封裝、應用等下游應用企業(yè)的發(fā)展。利用紫外LED的殺菌功效，就可以在白色家電產(chǎn)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(huì )采用紫外LED來(lái)殺菌消毒，這些產(chǎn)品中的殺菌功能將會(huì )成為產(chǎn)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(chǎn)品，每種產(chǎn)品每年的產(chǎn)銷(xiāo)量就達到幾千萬(wàn)、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(chǎn)量為30，486萬(wàn)臺。如果在這些產(chǎn)品中都使用紫外LED燈進(jìn)行殺菌消毒，將會(huì )是一個(gè)廣闊的應用市場(chǎng)，這些原有市場(chǎng)的替代和新市場(chǎng)應用的產(chǎn)生必將極大提高人民的生活水平，為任何時(shí)候任何地點(diǎn)提供清潔的空氣，清潔的水，改善生活環(huán)境讓更多的人享有健康。同時(shí)LED的長(cháng)產(chǎn)業(yè)鏈和人才技術(shù)密集特點(diǎn)也將產(chǎn)生成千上萬(wàn)的就業(yè)機會(huì )，對社會(huì )產(chǎn)生積極影響，獲得良好的社會(huì )效益。

“第三代半導體固態(tài)紫外光源材料及器件關(guān)鍵技術(shù)”重點(diǎn)研發(fā)計劃專(zhuān)項的實(shí)施，是國家科技體制改革的重要變化之一，通過(guò)集中國內最優(yōu)勢的團隊進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，重點(diǎn)突出，以點(diǎn)帶面，全面促進(jìn)國內科技創(chuàng )新和技術(shù)突破。