新型半導(dǎo)體材料的研究和突破,常常導(dǎo)致新的技術(shù)革命和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.以氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料,是繼第一代半導(dǎo)體材料(以硅基半導(dǎo)體為代表)和第二代半導(dǎo)體材料(以砷化鎵和磷化銦為代表)之后,在近10年發(fā)展起來的新型寬帶半導(dǎo)體材料.
GaN半導(dǎo)體材料的商業(yè)應(yīng)用研究開始于1970年,其在高頻和高溫條件下能夠激發(fā)藍光的獨特性質(zhì)從一開始就吸引了半導(dǎo)體開發(fā)人員的極大興趣.但是GaN的生長技術(shù)和器件制造工藝直到近幾年才取得了商業(yè)應(yīng)用的實質(zhì)進步和突破.1992年被譽為GaN產(chǎn)業(yè)應(yīng)用鼻祖的美國Shuji Nakamura教授制造了第一支GaN發(fā)光二極管(LED);1999年日本Nichia公司制造了第一支GaN藍光激光器,激光器的穩(wěn)定性能相當于商用紅光激光器.從1999年初到2001年底,GaN基半導(dǎo)體材料在薄膜和單晶生長技術(shù)、光電器件方面的重大技術(shù)突破有40多個.由于GaN半導(dǎo)體器件在光顯示、光存儲、激光打印、光照明以及醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,GaN器件的廣泛應(yīng)用將預(yù)示著光電信息乃至光子信息時代的來臨.因此,以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料被譽為IT產(chǎn)業(yè)新的發(fā)動機.近幾年世界各國政府有關(guān)機構(gòu)、相關(guān)企業(yè)、以及風險投資公司紛紛加大了對GaN基半導(dǎo)體材料及其器件的研發(fā)投入和支持.美國政府2002年要求用于GaN相關(guān)研發(fā)的財政預(yù)算超過5500萬美元.通用、飛利浦、Agilent等國際知名公司都已經(jīng)啟動了大規(guī)模的GaN基光電器件商用開發(fā)計劃.風險投資機構(gòu)同樣表現(xiàn)出很大的興趣,近三年內(nèi)向該領(lǐng)域總計投入了約5億美元的資金.
以氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料,內(nèi)、外量子效率高,具有高發(fā)光效率、高熱導(dǎo)率、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強度和高硬度等特性,是世界上目前最先進的半導(dǎo)體材料.它的研究開發(fā),不僅會帶來IT行業(yè)數(shù)字化存儲技術(shù)的革命,也將徹底改變?nèi)祟悅鹘y(tǒng)照明的歷史.
氮化鎵材料可制成高效藍、綠光發(fā)光二極管LED和激光二極管LD(又稱激光器),并可延伸到白光LED,用高效率藍綠光發(fā)光二極管制作的超大屏幕全色顯示,可用于室內(nèi)室外各種場合的動態(tài)信息顯示,使超大型、全平面、高清晰、無輻射、低功耗、真彩色大屏幕在顯示領(lǐng)域占有更大的比重.高效率白光發(fā)光二極管作為新型高效節(jié)能固體光源,使用壽命超過10萬小時,可比白熾燈節(jié)電5-10倍,達到了節(jié)約資源、減少環(huán)境污染的雙重目的.藍光半導(dǎo)體激光器用于制作下一代DVD,可比現(xiàn)在的CD光盤提高存儲密度20倍以上.另一方面,氮化鎵材料寬帶隙的特點也保證了它在高溫、大功率以及紫外光探測器等半導(dǎo)體器件方面的應(yīng)用前景,它具有高可靠性、高效率、快速響應(yīng)、長壽命、全固體化、體積小等優(yōu)點,在宇宙飛船、火箭羽煙探測、大氣探測、火災(zāi)等領(lǐng)域內(nèi)也將發(fā)揮重大作用.
預(yù)計在未來10年里,氮化鎵材料將成為市場增幅最快的半導(dǎo)體材料,到2006年將達到30億美元的產(chǎn)值,占化合物半導(dǎo)體市場總額的20%.同時,作為新型光顯示、光存儲、光照明、光探測器件,可促進上千億美元相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)的新產(chǎn)業(yè)的形成.
我國政府高度重視第三代半導(dǎo)體材料的研究與開發(fā),氮化鎵基半導(dǎo)體材料及器件被列為國家“超級863”計劃項目.中科院半導(dǎo)體所是我國著名半導(dǎo)體材料及器件的研究機構(gòu),該所“國家光電子工藝中心”承擔了國家“863”計劃項目“藍光LED研制和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)”.其藍光發(fā)光二極管和藍光激光器的設(shè)計、制備與工藝技術(shù)均處于國內(nèi)頂尖水平.最近,深圳方大集團股份有限公司與中科院半導(dǎo)體研究所、南昌大學(xué)和深圳大學(xué)分別簽署了第三代半導(dǎo)體材料及器件科研成果產(chǎn)業(yè)化協(xié)議,方大集團首期將投資8千萬元,形成年產(chǎn)1.2億只藍光發(fā)光二極管的生產(chǎn)能力.
作為一種化合物半導(dǎo)體材料,GaN材料具有許多硅基半導(dǎo)體材料所不具備的優(yōu)異性能,包括能夠滿足大功率、高溫高頻和高速半導(dǎo)體器件的工作要求.其中GaN區(qū)別于第一和第二代半導(dǎo)體材料最重要的物理特點是具有更寬的禁帶,可以發(fā)射波長比紅光更短的藍光
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