硅襯底藍(lán)色發(fā)光器在業(yè)內(nèi)引發(fā)照明工業(yè)革命

硅襯底藍(lán)色發(fā)光器在業(yè)內(nèi)引發(fā)照明工業(yè)革命

“業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，半導(dǎo)體發(fā)光燈替代傳統(tǒng)燈，如同半導(dǎo)體晶體管替代真空電子管一樣意義重大而深遠(yuǎn)?！苯逃堪l(fā)光材料與器件工程研究中心主任江風(fēng)益教授向記者透露：“我們已經(jīng)成功研制出硅襯底GaN藍(lán)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(jìn)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(jí)的電流就可以發(fā)出一定顏色的光，是電子信息技術(shù)領(lǐng)域主要基礎(chǔ)元器件之一。過去，它通常用于各種工業(yè)設(shè)備、儀器儀表、通訊、交通、金融、家用電器、室內(nèi)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(huì)有哪些好處？ “理論上預(yù)計(jì)，半導(dǎo)體照明燈的發(fā)光效率可以達(dá)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?！苯L(fēng)益告訴記者，“同時(shí)，它還有尺寸小，可以做成各種形狀；具有方向性，色彩鮮明；結(jié)構(gòu)牢固，抗沖擊和抗震能力強(qiáng)；超長(zhǎng)壽命，可達(dá)100000小時(shí)；無紅外線和紫外線輻射；無汞，有利于環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)?！?

　　制造半導(dǎo)體照明燈的主要方案是：用藍(lán)光激發(fā)稀土熒光粉，合成出白光。于是，藍(lán)色發(fā)光二極管成為其核心部分。 江風(fēng)益介紹：“現(xiàn)有的幾種藍(lán)色發(fā)光二極管制備技術(shù)都存在一些缺陷，比如目前占有主導(dǎo)地位的‘藍(lán)寶石襯底GaN基LED’，盡管還在提高材料生長(zhǎng)和器件制造水平，但藍(lán)寶石襯底不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性能差，劃片困難，抗靜電能力差，倒裝焊工藝復(fù)雜，而且橫向電阻大，高電流密度下工作電壓高，浪費(fèi)能耗，不利于半導(dǎo)體照明光源的技術(shù)向前推進(jìn)。‘碳化硅襯底GaN基LED’，由于其襯底導(dǎo)電導(dǎo)熱，在目前半導(dǎo)體照明芯片上占有優(yōu)勢(shì)，將在一定時(shí)間范圍內(nèi)領(lǐng)先其他技術(shù)方案，但是其價(jià)格高，劃片困難。另外，‘氮化鎵襯底GaN基LED’，外延材料質(zhì)量可以明顯提高，但同樣存在價(jià)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(diǎn)。”

　　對(duì)于在硅襯底上制備發(fā)光器件，江風(fēng)益用“這是光電子領(lǐng)域里夢(mèng)寐以求的一件事”來形容。相對(duì)于藍(lán)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(diǎn)，如：良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，晶體質(zhì)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(zhì)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(bào)導(dǎo)，如美、德、日等國(guó)都先后在硅襯底上研制出GaN基LED，但所報(bào)道的光輸出功率最高僅為2mW，其材料與器件質(zhì)量還不能與藍(lán)寶石上的相比。然而，各國(guó)科學(xué)家的夢(mèng)想在發(fā)光材料與器件工程研究中心成為了現(xiàn)實(shí)。國(guó)家863計(jì)劃納米專項(xiàng)、863計(jì)劃光電子主題等重點(diǎn)資助下，中心成功的在硅襯底上研制出GaN藍(lán)色發(fā)光二極管外延材料及器件，在兩英寸外延片內(nèi)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(shí)用的性能優(yōu)良的Si襯底GaN藍(lán)光LED器件，主要性能指標(biāo)好于同類器件中目前文獻(xiàn)報(bào)道的水平。

　　“這一突破性進(jìn)展表明，在硅襯底上外延GaN基LED，原先擔(dān)心的‘龜裂、晶體質(zhì)量差、P型摻雜困難、工作電壓高、發(fā)光強(qiáng)度低、可靠性差’等所有問題全部可以克服。”江風(fēng)益表示，“尤其這種技術(shù)路線在焊接剝離方面具有非常大的優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)?！?

　　據(jù)悉，這一成果在2005年4月廈門半導(dǎo)體照明國(guó)際論壇中報(bào)道后，國(guó)際同行專家評(píng)價(jià)為目前國(guó)際最好結(jié)果。國(guó)內(nèi)同行專家評(píng)價(jià)該成果為：研制成功并具有國(guó)際一流水平的硅襯底藍(lán)光二極管材料及器件，對(duì)我國(guó)發(fā)光材料與器件領(lǐng)域的發(fā)展具有重大現(xiàn)實(shí)意義和產(chǎn)業(yè)價(jià)值。

　　在實(shí)驗(yàn)室里，江風(fēng)益向記者展示了硅襯底GaN藍(lán)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(lán)寶石，達(dá)到這個(gè)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(shí)力的投資方進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化合作談判，爭(zhēng)取在年底之內(nèi)將這一產(chǎn)品推向市場(chǎng)。”