【消息】硅衬底蓝色发光器在业内引发照明工业革命

发布时间：2020-11-17 10:20:39 阅读：次来源：电热片厂家

“业内普遍认为，半导体发光灯替代传统灯，如同半导体晶体管替代真空电子管一样意义重大而深远。”教育部发光材料与器件工程研究中心主任江风益教授向记者透露：“我们已经成功研制出硅衬底GaN蓝色发光二极管材料及器件，现在小试已经完成，正在进行中试。” 　　据介绍，发光二极管（LED)是一种冷光源，加上3伏特左右的电压、通上毫安量级的电流就可以发出一定颜色的光，是电子信息技术领域主要基础元器件之一。过去，它通常用于各种工业设备、仪器仪表、通讯、交通、金融、家用电器、室内外装饰等作信息的指示、显示和传递。如果用它代替传统灯来照明，会有哪些好处？ “理论上预计，半导体照明灯的发光效率可以达到甚至超过白炽灯的10倍、日光灯的2倍。因而将具有显著的节能效果。”江风益告诉记者，“同时，它还有尺寸小，可以做成各种形状；具有方向性，色彩鲜明；结构牢固，抗冲击和抗震能力强；超长寿命，可达100000小时；无红外线和紫外线辐射；无汞，有利于环保等众多优点。”

制造半导体照明灯的主要方案是：用蓝光激发稀土荧光粉，合成出白光。于是，蓝色发光二极管成为其核心部分。江风益介绍：“现有的几种蓝色发光二极管制备技术都存在一些缺陷，比如目前占有主导地位的‘蓝宝石衬底GaN基LED’，尽管还在提高材料生长和器件制造水平，但蓝宝石衬底不导电，导热性能差，划片困难，抗静电能力差，倒装焊工艺复杂，而且横向电阻大，高电流密度下工作电压高，浪费能耗，不利于半导体照明光源的技术向前推进。‘碳化硅衬底GaN基LED’，由于其衬底导电导热，在目前半导体照明芯片上占有优势，将在一定时间范围内领先其他技术方案，但是其价格高，划片困难。另外，‘氮化镓衬底GaN基LED’，外延材料质量可以明显提高，但同样存在价格太高的问题，而且器件加工也是难题。在此情况下，硅衬底成为研究人员瞩目的焦点。” 　　对于在硅衬底上制备发光器件，江风益用“这是光电子领域里梦寐以求的一件事”来形容。相对于蓝宝石与碳化硅衬底而言，硅片作为GaN材料的衬底有许多优点，如：良好的导电、导热性，晶体质量高、尺寸大、成本低、易加工等。但由于GaN外延材料与硅衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，因此在硅衬底上很难得到器件质量的GaN材料。虽然近年来在硅衬底上制备GaN材料及器件已有较多的报导，如美、德、日等国都先后在硅衬底上研制出GaN基LED，但所报道的光输出功率最高仅为2mW，其材料与器件质量还不能与蓝宝石上的相比。

然而，各国科学家的梦想在发光材料与器件工程研究中心成为了现实。国家863计划纳米专项、863计划光电子主题等重点资助下，中心成功的在硅衬底上研制出GaN蓝色发光二极管外延材料及器件，在两英寸外延片内LED芯片的工作电压小于3.5V，光输出功率大于5mW，获得了可以实用的性能优良的Si衬底GaN蓝光LED器件，主要性能指标好于同类器件中目前文献报道的水平。　　“这一突破性进展表明，在硅衬底上外延GaN基LED，原先担心的‘龟裂、晶体质量差、P型掺杂困难、工作电压高、发光强度低、可靠性差’等所有问题全部可以克服。”江风益表示，“尤其这种技术路线在焊接剥离方面具有非常大的优势，便于制造高反光层P型接触电极和高出光率的N型表面，便于降低工作电压，没有横向电阻便于在大电流密度下工作，便于散热，抗静电能力强。” 　　据悉，这一成果在2005年4月厦门半导体照明国际论坛中报道后，国际同行专家评价为目前国际最好结果。国内同行专家评价该成果为：研制成功并具有国际一流水平的硅衬底蓝光二极管材料及器件，对我国发光材料与器件领域的发展具有重大现实意义和产业价值。　　在实验室里，江风益向记者展示了硅衬底GaN蓝色发光二极管。随着电源接通，小小的二极管放射出璀璨的光芒，虽然是白天，依旧光彩夺目。他说：“如果是用蓝宝石，达到这个亮度很正常，但是用硅就已经很不容易了。我们正在和有实力的投资方进行产业化合作谈判，争取在年底之内将这一产品推向市场。”

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