第三代半導體Ⅲ族氮化物的物理與工程
——從基礎物理到產業發展的典范

榮 新 李順峰 葛惟昆

(1 北京大學物理學院寬禁帶半導體研究中心，北京 100871； 2 北京大學物理學院東莞光電研究院，廣東 東莞 523808)

第三代半導體Ⅲ族氮化物的物理與工程
——從基礎物理到產業發展的典范

榮 新1李順峰2葛惟昆1

(1北京大學物理學院寬禁帶半導體研究中心，北京 100871；2北京大學物理學院東莞光電研究院，廣東 東莞 523808)

以氮化鎵(GaN)為代表的Ⅲ族氮化物屬于寬禁帶半導體，即通常所謂“第三代”半導體材料。作為Si、Ge以及傳統Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體之后的新一代半導體材料，GaN具有更大的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更穩定的物理化學性質等優異特性，已經成為半導體研究極為重要的領域和國家重大研究方向。盡管Ⅲ族氮化物的晶體質量與傳統半導體材料相比仍然有很大差距，但并不妨礙Ⅲ族氮化物及其量子結構在光電器件及電子器件中的廣泛應用，圍繞GaN及其他相關氮化物半導體的研究和開發，在物理與工程方面都具有極為特殊的意義，是基礎物理研究和產業化應用結合的典范。

Ⅲ族氮化物；發光二極管；半導體技術；產業化；物理與工程的結合

0 諾貝爾物理學獎的榮耀

2014年12月10日，瑞典斯德哥爾摩見證了一個歷史時刻，日本科學家赤崎勇(I.Akasaki)、天野浩(H.Amano)和美籍日裔科學家中村修二(S.Nakamura)因發明高效藍光LED被授予諾貝爾物理學獎。他們的獲獎理由是：為人類帶來了明亮節能的白色光源。

圖1 LED原理示意圖及藍光LED結構圖[5]

20世紀60年代，人們相繼發明了高亮度紅色和綠色LED，于是迫切期待三原色中另一重要成員藍光LED的實現，以引發白光照明的革命，開啟LED全色顯示時代。然而藍光LED所需晶體材料的制備等難題長期無法取得突破，曾被斷言在20世紀難以實現。日本名古屋大學赤崎勇教授及其學生天野浩一起向這一世界難題發起挑戰，于上世紀80年代末先后突破了高質量氮化鎵(GaN)單晶生長和p型摻雜難題[1,2]，并制成世界上首支藍光LED。隨后不久，日亞化學工業公司技術人員中村修二開發了新的GaN單晶生長技術路線，以及p型GaN的處理工藝[3,4]，成功制備了首個商用化高亮度藍光LED，大大推動了其產業化進程。

傳統熒光燈內含有汞蒸氣，燈管工作時伴隨汞對應的特定紫外光譜，在燈管破裂時有毒性汞釋放的風險。相比而言，LED燈更節能環保，亮度更大，使用壽命更長，其原理如圖1所示。目前，LED早已進入千家萬戶，在相機、手機、電冰箱、汽車、路燈等日常設備中廣泛應用，包括建筑物外大型全彩顯示屏也由LED像元制成。據統計，LED幫助全球超過15億人告別沒有照明的時代[5]；由于全世界1/4的電量用于照明用途，所以LED大幅替代傳統光源大大地節省了電力和減少了環境污染，在目前火力發電仍為最主要電力來源的情況下，相當于每年可減少數億噸二氧化碳、二氧化硫等氣體的排放。

2014年3位諾貝爾物理學獎獲獎者在藍光LED中的開創性工作引發了照明技術革命，深刻影響了人們的生活，LED照亮21世紀。諾貝爾物理學獎旨在嘉獎人類對自然規律認識的突破和對人類生活的重大改善。2014年的諾貝爾物理學獎實至名歸，充分體現了對于基礎研究到產業應用這樣有清晰鏈條的科技成果的肯定[6]。

1 第三代半導體、GaN的歷史和概述

20世紀80年代末，以GaN、SiC、ZnO 為代表的第三代半導體迅速興起，其中氮化物半導體具有直接帶隙、發光波長覆蓋從紅外到紫外、導熱好、耐高壓、抗輻照、物理化學性質穩定等優異特性，在藍光LED、紫外光電子器件等領域具有重大應用價值，成為近20年來的研究熱點。

圖2 纖鋅礦GaN的晶體結構 (a) Ga極性; (b) N極性; (c) 纖鋅礦GaN的能帶結構[7,8]

1.1 第三代半導體材料的發展簡史

Si、Ge是制造晶體管和集成電路并最早實現商業化的半導體材料，以其為代表的第一代半導體成功改變了世界，給人類帶入了信息文明。這類材料具有技術成熟、質量好、成本低廉等諸多優點，尤其Si材料可以實現無位錯晶體生長， 成為大規模集成電路的基礎。 但Si、Ge是間接禁帶半導體，在發光器件應用中受到限制。以GaAs、InP為代表的第二代半導體，屬于直接禁帶半導體，是制備發光二極管和半導體激光器的理想材料，同時其異質結構可實現高遷移率二維電子氣，由此制造的電子器件具有優異的頻率、效率、功率等特性，從而使第二代半導體在光通信和微波通信、雷達、導航、探測等領域中發揮了重大作用。隨著對短波發光的迫切需要和信息產業對高頻特性、器件可靠性、抗輻照特性等更為嚴苛的要求，第三代半導體材料GaN、SiC的研究逐漸興起，它們具有大的帶隙(禁帶通常在2eV以上)、高的擊穿電場、高的電子飽和漂移速度、強的抗輻照能力等優點，不但解決了白光照明問題，而且適合研制高溫、高功率器件和特殊環境下工作的各類電子器件。然而第三代半導體材料相對于第一代、第二代半導體，其晶體缺陷密度高、工藝技術相對不成熟、制備成本還很高；盡管如此，GaN基發光二極管(LED)和激光器等器件的研制取得了巨大的成功，引發了照明技術革命。實際上第三代半導體材料的優異性能還沒有得到充分利用，仍然有很大的開發空間，在深紫外光電器件、功率器件、電子器件和光通信等領域將大有可為，只待器件性能和可靠性的進一步研究和提高。第三代半導體、特別是氮化物材料、器件的研究十分活躍，已成為當前國際熱點研究領域之一。

1.2 GaN的物理性質

在纖鋅礦GaN中，金屬原子和氮原子構成兩套六角密排晶格結構，按ABAB…方式堆積而成。晶格常數a為c面內最近鄰同種原子距離，晶格常數c為沿c軸方向最近鄰同種原子距離，理想情況下，c/a～1.633，兩套六角密排結構沿c軸錯開u·c= 0.375c，其中比例系數u為沿c軸方向最近鄰不同原子距離除以c。實際情況中，纖鋅礦氮化物中存在自發晶格畸變，c/a均小于1.633，u均大于0.375，即存在沿c軸方向的自發極化現象。當晶體在c面內受到壓應變時，c/a逐漸趨于理想值，壓電極化與自發極化互相抵消；反之，當晶體受到張應變時，壓電極化與自發極化方向相同，互相增強。

表1 纖鋅礦結構GaN，InN和AlN的基本參數[9]

Ⅲ族氮化物的禁帶寬度從6.1eV到0.64eV 范圍內連續可調，覆蓋紫外、可見、紅外光譜范圍；氮化物易于通過摻雜Si或Mg替代Ga原子形成施主雜質或受主雜質，進而實現n型摻雜或p型摻雜，通過制備相應量子結構可實現特定功能的光電子器件或電子器件。InxGa1-xN的禁帶范圍與太陽光譜匹配甚好，適合制備照明、顯示、激光器、太陽能電池、水的光解等器件；AlxGa1-xN的禁帶寬度大于3.4eV，有效抑制價帶電子熱激發，可用于制備室溫工作器件，材料生長的可控性好，可用于制備節能環保深紫外光電器件；InxAl1-xN的晶格常數覆蓋范圍廣，可調節In組分與任意氮化物實現晶格匹配。尤其值得注意的是，氮化物是強極化場體系，極化場達～MV·cm-1，因而在AlGaN/GaN異質結中產生三角勢阱，形成的二維電子氣(2DEG)濃度可達～1013cm-2，并同時具有高飽和電子漂移速度、高擊穿電場等優越性質，在高功率電子器件領域有重要應用價值。此外，氮化物量子結構的導帶帶階(Conduction band offset, CBO)連續可調，AlN/GaN體系的CBO可達～1.8eV，從而可以實現光通信波段的子帶間躍遷(ISBT)紅外器件。

2 GaN研究中的物理與材料問題

本節將分別介紹GaN半導體材料生長概述、不同襯底材料與生長技術、GaN半導體的缺陷與摻雜、InGaN合金與LED有源區、GaN的極性與非極性/半極性材料、GaN基LED的內量子效率、AlGaN合金與紫外發光器件、GaN低維結構及應用等。

2.1 GaN半導體材料生長概述

2.1.1 GaN體材料生長的困難與異質外延襯底的選擇

不同于GaAs材料，GaN材料在平衡態的氮氣飽和蒸氣壓很高，很難用傳統Ⅲ-Ⅴ化合物半導體常用的液封直拉法(Liquid Encapsulated Czochralski, CZ or LEC)或垂直布里奇曼法(Bridgman-Stockbarge method)實現材料生長。近年來，針對GaN體材料的生長，發展了高溫高壓法、氨熱法(Ammonothermal Method)、助融劑法等液相單晶生長方法。但GaN體材料的制備成本較高，直到目前，高昂的價格仍然阻礙著GaN襯底市場的發展。

由于GaN體材料難以制備，通常GaN單晶薄膜及量子結構采用異質外延的方法制備，如金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)，這兩種外延技術隨著20世紀60、70年代光電、微波等先進半導體器件的發展逐漸興起并被廣泛應用[10]。MBE方法在原位監控生長、原子層精確調控、高純材料制備、同質外延、生長動力學研究等方面具有優勢，MOCVD方法則在高性能光電器件制備和成本等方面優勢明顯，目前在GaN工業界及光電器件結構的生長中更多采用MOCVD方法。

在GaN研究的早期，選擇合適的異質外延襯底生長GaN單晶薄膜是首要解決的問題。襯底的選擇需要考慮生長方向面內晶體結構的相似性、晶格常數失配、熱膨脹系數失配、襯底高溫穩定性、熱導率、透光率等因素。最早使用的襯底有藍寶石Al2O3、SiC、Si(111)、GaAs等，如表2所示。

表2 各種襯底的基本參數[11]

圖3 藍寶石襯底與GaN外延層之間的晶格取向關系[12]

Si(111)襯底與GaN晶格失配和熱失配都很大，生長比較困難。GaAs是立方相晶體，在GaN生長溫度下不穩定。SiC襯底的熱穩定性好、熱導率高、晶格失配小(～3.4%)，是比較合適的GaN異質外延襯底，但是SiC的生產工藝通常采用物理氣相輸運技術(Physical Vapor Transportation, PVT)，該方法需要高溫條件，生長速率低、成本很高、技術壟斷性強，難以為產業界廣泛采用。藍寶石材料在高溫下穩定，并且藍寶石的c面同樣有六角對稱性，GaN生長在藍寶石襯底上有30°的晶格取向旋轉，如圖3所示。考慮30°取向旋轉后GaN處于壓應變，晶格失配為～16%。此外藍寶石的工業生產成本較低，因而非常適合做GaN異質外延襯底。目前LED半導體照明產業主要采用藍寶石、碳化硅、硅3種襯底，藍寶石襯底占據96%以上的市場，其技術主要由日本、歐洲的公司掌控；碳化硅襯底由美國Cree公司壟斷；硅襯底LED主要有中國的晶能光電、英國的Plessy公司等。

2.1.2 低溫緩沖層技術

理論和實驗表明，異質外延生長中存在臨界厚度，當外延層厚度小于臨界厚度時為共格生長(贗晶生長)，超過臨界厚度時外延層中聚集的應變能將釋放，發生晶格弛豫。藍寶石襯底和GaN之間存在著大的晶格失配和熱失配，晶格失配在外延生長中產生極大的內建應力，晶格弛豫形成三維島狀生長，難以實現二維生長[13]。1986年，赤崎勇和天野浩首先在氮化物生長中利用AlN低溫緩沖層的方法成功實現了原子級平整的GaN單晶的生長[1]。之后1991年，中村修二利用低溫GaN緩沖層技術生長GaN薄膜，有效提高了GaN外延薄膜的質量[3]，室溫載流子濃度達4×1016cm-3，(0002)面X射線搖擺曲線XRC半寬FWHM最佳值為1.6min。低溫緩沖層技術在20世紀80年代的Si襯底上GaAs外延中曾被使用[14]，低溫緩沖層的功能主要是實現大部分的應力弛豫，并消除大部分晶格失配導致的位錯和缺陷。低溫緩沖層技術是提高GaN晶體質量的核心技術，并且由于目前GaN襯底的制備成本仍然較高，該技術在大失配襯底(如藍寶石、硅等)上外延GaN材料仍是一項必要和主流的技術[15]。

2.2 不同襯底材料與生長技術

襯底在LED和其他半導體器件結構外延生長中起關鍵的作用，同時襯底的不同也決定了后續器件工藝和封裝方案的技術路線差異。

2.2.1 藍寶石襯底

藍寶石是最早實現高質量GaN生長突破的襯底，也是目前LED產業界最普遍采用的，占目前LED襯底市場的96%以上。藍寶石襯底具有六重對稱性，與GaN的晶格失配在16%左右，高溫穩定性好。在藍寶石上生長GaN層采用兩步法，首先在500～600℃之間生長低溫緩沖層，再升溫至1000～1200℃之間生長GaN層，MOCVD方法中Ⅴ/Ⅲ比控制在1000～5000之間。低溫緩沖層的生長對后續GaN層的生長非常關鍵，生長條件窗口需要特別優化。

目前，藍寶石襯底上的GaN生長和器件工藝成熟穩定，商用LED藍寶石襯底普遍采用圖形化藍寶石襯底(PSS)[16]，主要為微米PSS，其圖形周期和尺寸經過優化可提升LED的晶體質量和出光效率。盡管GaN材料包含了很高的位錯和缺陷密度(～108cm-2)，但材料質量仍然滿足高性能LED的要求，InGaN有源區結構的發光特性使其對材料位錯密度的要求并不敏感[17]。不過，進一步發展激光器、高穩定性可靠性電子器件、解決器件散熱問題等仍需依賴于低位錯密度GaN材料，需采用PSS上的GaN厚膜(～100μm)或GaN自支撐襯底。

2.2.2 碳化硅(SiC)襯底

碳化硅(SiC)本身也是非常重要的寬禁帶半導體材料，禁帶寬度在 3.2eV(4H-SiC)。由于是間接禁帶材料，其帶間輻射復合發光需要有聲子的參與，發光效率極低，因而不適于做發光器件。但碳化硅材料具有非常好的物理性能，它的高溫穩定性好，其晶體結構具有4H、6H、3C等多種構型，熱導率達到3.7W·(cm·K)-1, 超過藍寶石的10倍，非常適于做大功率LED的襯底。其中常用于LED外延襯底的 4H-SiC晶格常數與GaN僅相差3%左右。同時碳化硅是半導體材料，通過摻雜可以實現導電的n型材料，其大禁帶寬度使材料對可見光是透明的。因此，碳化硅非常適于做垂直結構的LED，而不必剝離襯底。

但是高質量的碳化硅襯底材料難以獲得。目前，市場上SiC襯底材料的提供商主要有美國Cree公司及日本少數幾家公司。SiC襯底的生長主要是利用PVT方法，需要很高的生長溫度，生長速率小，晶體中的微管缺陷不易控制，因此高質量SiC襯底的價格較高。目前，主流的LED廠商僅有美國Cree公司利用SiC作為LED的外延襯底，在公開報道的電光轉換效能上該公司在業界是最好的，2014年實驗室達到的指標超過300lm·W-1[18]。

2.2.3 硅(Si)襯底

得益于微電子工業的飛速發展，硅單晶襯底的晶體質量已經接近完美，價格便宜；尤其是6～8英寸大尺寸硅(Si)襯底來源非常容易，目前6英寸藍寶石襯底供貨量還有限，更不能大批量提供8寸襯底。此外，使用硅襯底在工藝路線上會與藍寶石襯底上的LED不同，原則上硅襯底外延器件的工藝可以借鑒6寸或8寸硅微電子工藝線，在Si(100)和Si(110)上外延制備的光電器件還可以和CMOS兼容。

由于藍寶石襯底技術在日本及歐洲等國家形成專利壁壘，限制了后來者的加入，因此發展硅襯底LED技術對我國固態照明產業的發展具有重要的實際意義。但硅襯底與GaN材料的物理性能相差較大，其中晶格失配在～17%，熱失配達～54%，導致GaN在生長結束降溫過程中發生翹曲和龜裂，因此硅襯底上LED結構的外延在早期曾一度被認為是不可能的技術路線。為了解決這些問題，通常需要在GaN外延層和硅襯底之間插入較為復雜的緩沖層或成核層以降低位錯密度，同時在外延層中預置應力補償熱失配導致的翹曲和龜裂。主要插入層方法有3種：低溫AlN插入層，單層、多層AlGaN插入層，AlN/GaN超晶格插入層。

目前，硅襯底上GaN生長和器件工藝已經研究多年，技術逐漸接近成熟。由于外延結構的復雜，以及器件工藝中需要剝離吸收可見光的硅襯底等原因，該技術仍然具有挑戰性。近年國際上有幾家公司在大力發展基于硅襯底的LED技術，國內晶能光電在硅襯底GaN基LED技術上取得了很大的突破，在國際上處于領先地位，實現了產品化和商業化。

2.2.4 GaN襯底

一般而言，同質外延是器件外延生長的最佳選擇。傳統GaAs、InP等材料為襯底的同質外延器件能夠實現非常可靠的性能。通常同質體材料襯底的缺陷密度小，無晶格失配和熱失配，外延材料具有很好的質量，進而實現更好的器件性能。GaN同質外延的關鍵因素是GaN體材料生長的困難。由于平衡態GaN和氮氣具有非常高的蒸汽壓，如圖4，因此用通常生長GaAs的直拉法或布里奇曼法來制備GaN晶體非常困難。目前報道，波蘭高壓所在高壓條件下實現了由Ga和N2合成GaN單晶。生長體材料GaN的方法主要有高壓氮氣溶液法(HPNS)、鈉流法(Na flux)、氫化物氣相外延(HVPE)、氨熱法(Ammonothermal)等，相應生長條件及位錯密度參照表3。

圖4 AlN、GaN、InN平衡蒸氣壓[19]

生長方法生長壓強生長溫度/℃生長速率/(μm·h-1)位錯密度/cm-2高壓氮氣溶液法1～2GPa～17001～3102鈉流法3～5GPa80010～40102～104氫化物氣相外延105Pa1020～1050100～200104～106氨熱法100～600GPa500～7501～30103

對于GaN基器件來說，LED性能對材料中的位錯密度不敏感，目前藍寶石襯底上藍光LED的位錯密度通常在108～1010cm-2，比傳統Ⅲ-V半導體材料高約6個數量級，而藍光LED的電光轉換效率在50%以上，達到或高于傳統高質量磷化物材料的紅光LED的光電轉換效率。但對于藍綠光激光器(LD)而言， 其性能和壽命與襯底材料的質量密切相關，高質量的GaN襯底材料是生長高性能藍綠光激光器必不可少的。目前，激光器領域是高質量低位錯密度的體材料GaN襯底最重要的市場，但當前常用的HVPE法生長的GaN體材料位錯密度通常在106cm-2，并且晶面有一定翹曲，還不能完全滿足高性能激光器外延襯底的需要。

雖然利用體材料GaN作為襯底外延生長LED，能夠獲得很好的器件性能，但在實際應用中，高昂的GaN襯底價格阻礙了其作為LED外延襯底的使用。目前，市場上報道僅有中村修二所在的美國Soraa公司和韓國三星公司開發體材料GaN上的LED。Soraa公司報道了利用GaN襯底制備的MR16型LED，其出光功率比傳統基于藍寶石襯底的LED可提升5～10倍[21]，由于襯底位錯密度低3個數量級，所以器件生熱少，封裝工藝也更簡單。此外，體材料GaN還用于功率電子器件及射頻器件的襯底中。近年，非極性/半極性GaN外延獲得了很多關注，主要用于消除或減弱極性GaN半導體中的內建極化電場。

除了上述常見的襯底材料，能夠在文獻上見到的氮化物外延襯底材料還有LiGaO2、MgAlO3，以及金屬襯底等，但這些襯底材料在實際生產中應用極少，近幾年，有人探索在玻璃或金屬襯底上外延GaN材料的可能性，期望進一步降低LED成本，但性能還不理想。

2.3 GaN半導體的缺陷與摻雜

要獲得LED、激光器等器件，通過摻入施主或受主原子獲得穩定可靠的n型或p型GaN材料是基本要素，是最核心的科學問題之一。可以說，沒有摻雜，沒有p-n結，半導體器件就無從談起。但在摻入施主或受主原子時，可能在材料中引入新的缺陷或者一些復合物(絡合物，complex)，而且，外延生長的模式和表面形貌等都會受到摻雜源氣體和摻雜原子的影響。

目前，MOCVD或MBE方法獲得的非故意摻雜GaN半導體都呈現n型，電子濃度與GaN材料的晶體質量有關，室溫下背景電子濃度一般在1015cm-3以上。要獲得p型半導體，要求p型受主必須首先補償n型本征施主，才能實現p型導電。

2.3.1 p型摻雜與受主激活

在GaAs半導體中，常用p型摻雜的受主是Be、C或Mg原子。在早期GaN的研究中，通過在GaN中摻Zn研究p型摻雜，但效果并不明顯，隨后轉向研究GaN中摻Mg實現p型摻雜并取得了巨大的成功[15]。目前認為，只有Mg原子是適合GaN的p型摻雜元素。根據報道，C原子還不能獲得穩定的p型半導體。而Be原子有劇毒，在MOCVD生長中極少被采用。

經過實驗測量和理論計算發現，Mg在GaN中引入的是深受主能級，最淺的受主能級在價帶邊之上170meV[22], 而Mg原子在GaAs中引入的能級深度僅28meV。根據公式計算，室溫下，GaN中僅有1%～2%的Mg原子離化起受主的作用。因此，要獲得高空穴載流子濃度，應該摻入比設計空穴濃度高2個數量級濃度的Mg原子。然而，高摻入Mg原子并不一定能獲得高空穴濃度，這是由于Mg原子在GaN生長中能夠產生一些絡合物，如與有機源和載氣中的氫H形成Mg-H絡合物等，絡合物對Mg原子起鈍化作用使Mg原子難以激活離化。另外，高Mg源流量會嚴重影響外延膜表面形貌，使GaN表面粗糙，在1020cm-3或更高Mg摻雜情況下，GaN會產生反向疇(inversion domain)，改變GaN的極性。生長中Mg重摻雜可被用來把GaN通常呈現的Ga極性改變為N極性。如果要使Mg形成受主，需要將Mg-H鍵斷開。赤崎勇和天野浩于1989年利用低能電子輻照摻Mg的GaN的方法首次實現了呈p型導電的GaN[2]。之后中村修二利用熱退火的辦法同樣獲得了p型導電的GaN半導體[4]，該工藝特別適合工業化生產，是目前p型GaN實現Mg受主激活的標準手段。受限于Mg的摻入濃度和高激活能，目前利用Mg摻雜在MOCVD生長中能夠獲得的空穴濃度一般在1～2×1018cm-3或以下。對于短波長或者紫外器件，AlGaN是必不可少的。而Mg原子在AlxGa1-xN中的能級更深，因此高Al組分AlGaN的p型摻雜仍是目前的一個難題。

2.3.2 n型摻雜進展

GaN半導體的n型摻雜比較容易實現。目前最常用的摻雜原子是Si和Ge。Si是最早用于實現GaN半導體n型摻雜的原子。Si原子在GaN中傾向于替代Ga原子的位置，成為施主。Si是一個很有效的施主，Si摻雜最高可以實現～1020cm-3的電子濃度。然而高硅摻雜會明顯影響GaN外延膜的表面形貌，導致表面粗糙。在MOCVD選區橫向外延(ELOG)和納米結構生長中，高濃度的Si摻雜對最終形貌的影響能夠起到決定性的作用，因為高硅烷流量能夠顯著促進縱向生長。

由于高Si摻雜對生長形貌的影響，近年，人們也開始注意其他摻雜元素，比如Ge。文獻報道當Si摻雜電子濃度達到1.9×1019cm-3以上時張應變嚴重導致外延膜三維生長，但Ge摻雜對外延膜應變的影響較小，在電子濃度達到2.9×1020cm-3時仍然保持二維生長模式[23]。

2.3.3 GaN中的缺陷能級與黃光帶

1) 本征缺陷能級

GaN的本征缺陷主要有N空位VN、Ga空位VGa、本征間隙原子(Gai或Ni)、反位缺陷(NGa或GaN)等[24]。對于空位究竟是施主型還是受主型，可以做一個簡單的分析。根據定義，一個缺陷如果可以有中性和正電兩種荷電狀態， 他就是施主，而受主則具有中性和負電兩種荷電狀態。在Ga-N鍵中，N原子帶負電，N空位處如果添加N原子形成完整晶格將是電中性的，因此N空位處必然形成局域化的正電中心，這個正電中心類似于離化的施主雜質，有能力束縛電子。事實也的確如此，GaN的本征缺陷中，N空位是淺施主型缺陷。同理，Ga空位是受主型缺陷。本征間隙原子和反位缺陷的形成能較高，一般不容易出現。具體各種缺陷的形成能(formation energy)如圖5所示。

圖5 各種缺陷的形成能隨費米能級的變化， 費米能級的零點是GaN的價帶頂[24](a) 本征點缺陷； (b) 部分本征缺陷和n型雜質

2) 非故意摻雜與黃光發射峰

在MOCVD方法生長的GaN外延層中，C、H、O、Si是常見的非故意摻雜原子。這些雜質原子來源于反應氣體源、反應室材料和襯底材料，它們在高溫生長中摻入GaN外延層。O、Si是淺施主型雜質，這是由于通常O替代N原子，Si替代Ga原子，即產生ON和SiGa兩種替位雜質。H雜質在p型摻雜中是不利因素，容易形成Mg-H絡合物。C雜質在GaN中有多種原子構型，如CGa、CN、C-O絡合物等，這也是目前的一個研究熱點，在GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)中故意摻C雜質可以實現高阻層，使器件承受更高的擊穿電壓，但對器件穩定性方面是不利因素，其對器件的影響很可能是非常關鍵的因素，不過目前尚不完全明確，有待進一步研究。

在光致熒光譜(PL譜)中，經常發現GaN外延層在550nm附近(～2.2eV, yellow luminescence)有熒光發射峰。關于黃光發射峰的討論在GaN研究中持續了很多年，目前一般認為，黃光峰的成因主要與Ga空位有關，并且VGa-ON絡合物起到了關鍵作用[25]。

2.4 InGaN合金與LED有源區

InxGa1-xN合金是直接帶隙半導體，通過改變In組分其發光波段在近紅外、可見光、近紫外的范圍內連續可調。通常認為，InGaN材料中存在高In組分的團簇形成局域化勢阱，限制載流子擴散到位錯區域，并形成高效率的輻射復合中心[17]，這使其在～108cm-2的位錯密度下依然具有非常高的發光效率，作為發光器件有源區材料在LED和全色顯示方面取得了巨大的成功。這是高缺陷Ⅲ族氮化物材料卻能實現高效率藍色發光的物理基礎。

2.4.1 InGaN的生長中的物理問題

InGaN生長中會出現In原子的表面聚集現象(In surface segregation)。一般認為這是由于原子尺寸(或鍵長)不同，In原子的尺寸大于Ga原子，以及In-N鍵能遠小于Ga-N鍵的緣故。在外延生長中，由于In-N鍵分解與高In蒸氣壓(源流量)以及應力的影響，In原子傾向于在InGaN的表面聚集，形成InGaN表面富含In的InGaN層。同時，In-N鍵與Ga-N鍵較大的區別使InGaN在GaN材料上外延時存在很大的晶格失配和熱失配，形成高位錯密度缺陷。

InGaN生長中會出現相分離(Phase separation)。InN和GaN形成InGaN合金，但在通常的生長溫度下InN在GaN中的互溶性較差，即在一定溫度范圍內InN和GaN不能形成均勻的合金，因此傾向于分離出富In的團簇和相應的貧In的部分，即存在一定的組分波動，在高In組分的生長中，這個趨勢尤為明顯。Ho等人計算了InGaN中的混合自由能，得出了相分離的模型預測[26]，如圖6所示，InGaN中的相分離得到了很多實驗的證實。從圖中可見，相同溫度下，低In組分和高In組分InGaN較穩定，容易生長，中間組分InGaN不易生長。生長溫度越高，穩態和亞穩態InGaN對應的In組分范圍越大，反之越不利于InGaN的生長。但生長溫度也不宜過高，否則會導致InGaN分解。實驗表明對于一定組分的InGaN存在相應的邊界溫度(最高生長溫度)，In組分越高，邊界溫度越低[27]。

圖6 InGaN中的相分離，存在穩態、亞穩態和不穩態[26]

2.4.2 InN能帶隙的研究

InN的能帶寬度的測量有一段曲折歷史。高質量的InN晶體生長很困難，早期的InN樣品中氧O的含量過高導致背景電子載流子濃度非常高，達到1020cm-3量級，由于導帶中電子的填充效應導致測量的禁帶寬度明顯大于實際材料的禁帶寬度，早期測量的InN的禁帶寬度基本在1.9eV左右。

在2002年之后，利用分子束外延(MBE)的方法獲得高質量的InN晶體，重新利用光吸收和熒光法測量InN的能帶寬度，得到InN的禁帶寬度大幅降低[28,29]，目前認為其禁帶在0.64eV左右，處于紅外波段。該值的確認使Ⅲ族氮化物的禁帶寬度覆蓋紅外-可見-紫外的全波段范圍，使其成為重要的光電材料。測得InGaN材料的禁帶bowing系數(彎曲系數)也大大降低，目前認為InGaN的bowing系數在1.4～1.9eV的范圍[27,30]。

2.4.3 量子限制Stark效應與量子阱生長

纖鋅礦GaN材料為六方結構，每個Ga原子周圍最近鄰4個N原子并不完全對稱，導致正負電荷中心不重合，因此存在很強的極化電場，極化場能夠使InGaN/GaN量子阱中的能帶傾斜，電子和空穴在空間將發生分離，這一方面會降低輻射復合效率，另一方面使導帶底到價帶頂的距離減小，使躍遷能量紅移，這個效應被稱為量子限制Stark效應(QCSE)，并且量子阱的寬度越寬該效應越顯著[31]。

由于量子限制Stark效應，在InGaN量子阱中，隨著量子阱寬度的增加，輻射復合效率急劇減小，因此限制了InGaN量子阱的寬度，通常InGaN/GaN量子阱寬度在1～3nm之間，大的量子阱寬度導致發光效率降低。同時，隨著In組分的增高QCSE引起的紅移效應愈加明顯，復合效率也會降低，因此需要高In組分的綠光高效率LED生長更加困難。

2.5 GaN的極性與非極性/半極性材料

如前所述，纖鋅礦GaN中正負電荷中心并不重合，存在自發極化PSP，當晶格處于應變狀態時還存在壓電極化PPE引起的極化電場，二者矢量疊加P=PSP+PPE可形成強度達數個MV·cm-1的極化電場。該極化場在異質結二維電子氣、極化誘導p型摻雜、隧道結中可以被利用發揮積極的作用[32]，然而在氮化物發光器件中會引起QCSE效應，不利于輻射復合效率的提高。此外，極化場對于基于子帶間躍遷(ISBT)的紅外探測器領域也是不利的因素，不利于載流子的縱向輸運[33]。

纖鋅礦GaN存在兩種極性，如圖3(a)為Ga極性，圖3(b)為N極性，兩種極性晶體結構的關系可簡單的理解為上下顛倒，但其材料生長行為有顯著差異。一般規定沿c軸方向Ga原子指向最近鄰N原子的方向為[0001]方向，其距離的理想值為0.375c。

GaN自發極化PSP的來源是Ga原子最近鄰的4個N原子與理想的正四面體有差異。理想的結構可采用鋼球模型，u=0.375，c/a=1.633，正負電荷中心重合沒有自發極化，但實際如表1所示，纖鋅礦GaN晶格弛豫時u均大于0.375，c/a均小于1.633，存在自發極化。GaN的自發極化強度通常由第一性原理計算得到，通過密度泛函理論方法計算其值為-0.029C·m-2[7]，通過廣義梯度近似(GGA)方法計算其值為-0.034C·m-2[34]，負號均表示自發極化方向與[0001]方向相反。

GaN壓電極化PPE的來源是晶格處于應力作用下進一步畸變，當GaN的c面受到張應變時，c/a將更加遠離1.633，PPE與PSP同號；反之c面受到壓應變時，PPE與PSP反號，受到較強的壓應變時可使PPE的數值反超PSP，二者矢量疊加得到總極化場P。

由于GaN極化場給器件帶來的問題，研究人員也在嘗試制備非極性或半極性GaN材料，非極性面如m面(10-10)面或a面(11-20)面，半極性面如r面(10-12)面等。當前的非極性/半極性材料可以通過m面自支撐GaN襯底等實現薄膜生長，也可以通過納米柱結構實現，在納米柱的側壁一般為非極性面，Ga極性納米柱的頂部為半極性面[35]。

2.6 GaN基LED的內量子效率

2.6.1 缺陷密度與內量子效率

目前商用LED中的GaN材料的位錯密度在～108cm-2量級，對比其他Ⅲ-Ⅴ族半導體器件中102cm-2或更低的位錯密度，GaN材料中如此高的位錯密度依然能夠實現與其他Ⅲ-Ⅴ族半導體器件相似甚至于更高的效率是大家始料未及的。應該說，藍光LED器件的發展也推動了大家對氮化物半導體材料性質的研究。這個結果明顯說明，GaN中的這些位錯缺陷至少在LED器件結構和工作模式下，對器件性能的影響很小。目前，關于此現象原因的討論主要集中在兩點，主流觀點即上面提到的參考文獻[17]，認為是得益于InGaN的中In組分非均勻的特性，高In組分團簇能夠對載流子產生限制效應，形成載流子局域化，增強輻射復合。另一種觀點認為[36]，MOCVD生長的InGaN位錯處會形成V形坑(V-shaped pits)，這種特殊的結構會在位錯處形成勢壘，等效于對載流子有排斥作用，即存在位錯的自屏蔽效應，阻止載流子在位錯處發生非輻射復合。

2.6.2 大注入效率下降

降低每流明lm的光成本是未來發展的一個主要衡量指數。理論上，單位芯片面積加大電流注入強度可以降低每流明的成本，但大電流注入下盡管LED的光功率增強，但出光效率明顯下降，即存在Efficiency droop效應，該效應可以歸結為內量子效率的降低，具體存在如下兩種模型：

1) 電荷溢出(Carrier overflow)

電荷溢出是指LED在大注入時，電子或空穴的準費米能級超過相應的勢壘時，部分載流子不在勢阱內復合，而是越過勢阱區到達對側勢壘區，從而降低LED出光效率。由于溢出通常是電子的溢出，設計某種合適的電子阻擋層(EBL)結構對于緩解電荷溢出效應有一定的幫助，但EBL也會對空穴的注入有一定的負面影響。

2) 俄歇復合(Auger recombination)

俄歇復合是指在電子與空穴復合過程中釋放出來的能量被第三個載流子(電子或空穴)吸收而躍遷到高能級，電子空穴復合的能量沒有釋放光子，而是發生非輻射復合。由于是三體作用，通常俄歇復合的幾率很小，但在載流子濃度很高時，俄歇復合的影響就逐漸顯著，大電流注入使俄歇復合概率大大提高，增強了非輻射復合，從而使光效降低。

2.7 AlGaN合金與紫外發光器件

紫外LED在殺菌凈化、醫療、紫外固化、特種照明等方面有重要應用。在Ⅲ族氮化物中，AlxGa1-xN的室溫禁帶帶寬在3.4eV(GaN)到6.1eV(AlN)范圍連續可調，且都是直接禁帶半導體，最短可實現210nm的深紫外LED[37]。為了有效限制載流子，紫外LED中的量子阱發光區通常采用高Al組分AlGaN作為勢壘區。高Al組分的AlGaN生長需要優化，Al原子在氮化物表面的擴散勢壘明顯高于Ga原子的擴散勢壘，因此，通常需要高溫生長來增加Al原子在晶體表面的擴散長度，獲得高質量的AlGaN材料。

另外，AlGaN 合金的組分波動比InGaN合金弱，AlGaN/GaN或AlGaN/AlGaN量子阱的發光效率低于InGaN/GaN量子阱。如前所述，盡管缺陷密度大，InGaN量子阱中由于載流子局域化效應發光效率依然很高，而在AlGaN中缺少這種效應，這或許是AlGaN量子阱輻射復合效率低的原因。有鑒于此，在AlGaN量子阱中時常摻入少量的In原子(<2%)，形成AlxInyGa1-x-yN四元合金，試圖也形成由于組分波動而導致的載流子局域化效應，以提高在紫外波段的輻射復合效率。但AlInGaN的生長也不容易控制，由于AlN和InN的化學鍵強度相差很大，AlN生長需要高溫、InN生長需要低溫，如何獲得高質量有一定In組分的AlInGaN是一個有挑戰性的任務。

在紫外器件中，除了高質量的有源區，獲得高空穴濃度的p型AlGaN層是另一個非常困難的任務。圖7是Mg受主激活能隨Al組分變化的曲線，可以看到隨Al組分的增加，Mg的激活能快速增加，這意味著，Mg受主的激活比例越來越低。因此要獲得良好的器件性能，需要在p型AlGaN中大量增加Mg的摻雜濃度，而這樣又會很大地影響AlGaN材料的質量，所以獲得高空穴濃度的p型AlGaN更加困難。因此高Al組分AlGaN的p型摻雜是實現高效載流子注入的關鍵，是本領域的核心問題之一。當前有一種回避p型摻雜的辦法，即制備電子束泵浦紫外光源，該器件結構簡單、只包含有源區多量子阱，無需p型、n型、EBL等結構，在UVC波段出光功率可達～100mW[38]，是傳統深紫外光源的一種替代方案，不足之處是電子束源本身依然需要另外提供，增加了封裝的成本和復雜性。

圖7 Mg激活能隨AlGaN的Al組分的變化[22]

2.8 GaN低維結構及應用

2.8.1 納米柱

基于GaN的納米柱結構有很多性能上的優勢。高度/直徑比很大的納米柱能夠有效抑制位錯的產生，即使在大晶格失配的襯底上，由于橫向尺寸的減小，應力能夠得到有效的釋放。產生的位錯由于表面鏡像力的作用會在生長中向側表面偏折并終結在側表面，從而大大降低了位錯密度。基于納米柱的LED可以在外延中做成核-殼結構(Core-shell)，讓量子阱和p型GaN覆蓋整個納米柱的表面，增加了有源區的發光面積，使其超過襯底面積成為可能。納米柱側面是非極性的m面，生長在m面的InGaN沒有QCSE效應，可提高輻射復合幾率。另外，通過設計周期性排列的納米柱集群可形成光子晶體，提高光提取效率。除性能優勢之外，MOCVD生長納米柱在縱向的生長速率大約比二維層狀薄膜高一個數量級，從而縮短生長流程。

制備GaN納米柱的方法有多種，相對簡單的方法是刻蝕法(Top-down)，把厚GaN膜利用模版和光刻在樣品表面制作點狀圖形，再通過刻蝕的方法，得到納米柱。干法刻蝕在納米柱腐蝕中用的比較多，但保持納米柱的形狀、腐蝕出大的高度/直徑比的納米柱有技術挑戰性。在刻蝕中，GaN膜中的參與應力能夠得到釋放，目前，有利用這種Top-down的方法制作micro-LED陣列；而與CMOS結合，制作高分辨率的微顯示屏，是目前產業界關注的一個新領域。刻蝕法比較簡單，但也有缺點。一是浪費材料，在刻蝕中要去掉GaN厚膜的大部分GaN材料，二是位錯減少的效應在刻蝕法中難以利用。獲得納米柱還可以利用直接生長(Bottom-up)的方法：即自組織生長方法和選區生長方法，通常需要大的Ⅴ/Ⅲ比來優化生長形貌；前者為氣-液-固生長方法(VLS)，利用催化劑生成GaN納米柱；選區生長法，則是將襯底做周期性掩模然后再生長。選區生長有很多優勢，例如納米柱的排列和幾何參數可控，方便制備光子晶體結構等。

由于納米柱器件的三維特性，在器件工藝過程中存在很多挑戰，比如器件漏電的可能性，熒光粉填充的問題等，但該領域的研究一直在推進。目前，國際上有多個公司實現了實用化的納米柱器件，如德國的Osram、法國的Aledia、美國的Glo等，韓國的三星公司也在積極研發。

2.8.2 量子點

量子點是3個維度受限，可以看成零維結構，在能帶結構中形成分立的能級，常被稱為“類原子”。通常量子點尺寸在幾納米或幾十納米，能夠有效限制所俘獲的載流子，量子限制效應明顯增強，輻射復合效率顯著提高[39]。半導體量子點依托于半導體技術的成熟和迅猛發展得到了廣泛重視，具有窄線寬、量子效率高、中心波長可調、易于集成等優點，在固態發光器件和量子光源等領域有廣闊的發展空間。

常見的半導體量子點生長方法是自組織SK生長方法(Stranski-Krastanow)[40]，該方法簡便易行，被廣泛應用，但量子點的可控性較差。針對這個問題，近年發展了幾種結合納米柱制備量子點的新方法。比如在Ga極性納米柱的頂端會形成類金字塔結構，通過制備核殼結構可在金字塔的頂部形成三維受限，即形成GaN量子點[35]，而納米柱的間距可通過圖形化結構很好的控制，因此該方法可以實現低密度周期可控的量子點結構。而在N極性納米柱的頂端會形成平頂結構，在此基礎上可制備量子點耦合納米線結構(dot-in-nanowire)[41]。

在發光器件中，量子點通常被設計在量子阱中形成阱中點結構(dot-in-a-well)[42]，進而增強載流子局域化。此外由于應力的釋放，量子點可以容納更多的In組分，因此更適合制備長波長發光器件。量子點還可以應用于激光器中，相比于量子阱激光器和量子線激光器，量子點激光器有更好的量子限制，可實現更低閾值的激光器，同時在光譜純度、溫度特性等方面表現出更優異的性能。

3 GaN基LED及其他光電器件的研究與產業化

材料的性質決定器件的性能，本章簡要介紹各種GaN基光電器件，依次介紹LED、激光器、紫外LED的器件研究和產業化。

3.1 LED

可見光LED照明是目前GaN材料應用最大的市場，已經形成一個較為成熟的產業，InGaN材料中發光效率對外延膜位錯不敏感的特性是其能實現高亮度LED并進一步產業化的核心所在，目前器件發光效率最高已經達到300lm·W-1[18]。在LED產業發展早期，各公司和機構在LED性能上的競爭激烈，提高很快。近幾年，產業和市場逐步進入成熟，LED性能逐步增長，應用領域也在逐漸擴展。據統計，LED的市場增長迅速，2016年中國LED市場規模超過4000億元。在LED產業鏈上，上游包含襯底、外延材料和芯片，中游包含LED的封裝，下游包含應用和燈具模塊。近幾年，國內的LED產業日趨成熟，產業開始走向規模和成本決定的階段。LED在家用照明的滲透率也在快速提高。LED在顯色指數(CRI)以及節能方面的優點得到了廣泛的認同。目前在照明、顯示、標識、亮化工程等等領域都形成了很顯著的優勢和市場占有率。

3.1.1 襯底

目前占據市場絕對主流的還是藍寶石襯底，自支撐GaN襯底的成本對于LED來說較高因而沒有被廣泛使用。目前LED產業界重要的一項襯底技術是圖形化藍寶石襯底PSS技術。 具體而言，分為微米圖形化MPSS和納米圖形化NPSS。而NPSS技術要求更高，仍然不切合LED的低成本要求，所以廣泛采用的技術是MPSS技術。硅襯底這幾年國內在晶能光電的推動下，應用市場逐步增加，尤其在垂直結構器件應用領域，由于避免了復雜的襯底激光剝離技術，有一定的優勢。在近年自支撐GaN襯底的研究中，一方面研究人員不斷降低GaN襯底的成本以適應激光器或大注入下的發光器件要求，另一方面不斷開發替代自支撐襯底的厚膜(～100μm)方案，但外延片存在嚴重的翹曲問題。此外研究人員還嘗試在金屬板上或新型二維材料上生長GaN材料以期降低LED對基板的要求，擴展其應用范圍。

3.1.2 外延和芯片

芯片外延的主要生產工藝是采用MOCVD技術，其生長成本較低，可實現自動控制。一般的樣品結構是先生長一些緩沖層結構或超晶格結構，然后生長n-GaN底電極層，再生長數個周期的InGaN多量子阱結構，最后生長p-GaN頂電極層。具體細節各公司針對不同的外延襯底有各自的生長菜單，為了規避專利限制，結構中會有些獨特的設置。MBE方法目前在LED產業中應用還很有限，但生長某些超薄結構時會有所應用。

3.1.3 封裝

LED芯片封裝方式有多種，典型的結構有：水平結構、垂直結構(防止電流擁擠 current crowd)、倒裝結構、薄膜倒裝結構(TFFC，去掉藍寶石的倒裝結構)。封裝中要考慮熱管理，降低熱阻，在大電流注入高亮度LED中熱管理尤為重要，對于生熱嚴重的器件還需要從上游襯底和芯片環節加以改進。目前還發展了一種免封裝技術，即晶圓級封裝技術(WLP)，希望進一步降低封裝的成本。但晶圓級封裝還需要更多的工藝優化，才能達到成熟可靠。

3.1.4 應用

目前LED的終端價格已經很低，所以LED成本要素是關鍵，各種新技術如果在成本上沒有優勢則很難持續發展。但對于特種照明， 由于價值較高，可以適當放寬成本要求。此外，成品率也是關鍵要素。按照美國能源部(DOE)固態照明技術路線圖的預計，到2020年，LED的每千流明價格將降至 ～ 0.3美元，LED在照明市場的占有率將達到60%。

近10年來，我國固態照明產業發展迅速，產業成熟度較高，在材料、芯片、封裝和燈具等各環節均具備了較大的規模， 并發展出若干龍頭企業。國內LED企業在封裝和應用環節在國際上規模最大、技術也很先進，但是在技術密集的材料和芯片領域，對比國際水平還有差距。應該加大研發力度，特別是對襯底、有源區結構的設計和外延方面加大投入，在特種光源方面提高競爭力。

3.2 激光器LD

相比于傳統氣體激光器或固體激光器，半導體激光器LD體積小巧，發光波長靈活性更大，可以通過設計特定量子結構來實現。GaN基激光器相比于LED對襯底的要求更為苛刻，位錯密度應該達到105cm-2或更低，必須采用自支撐GaN襯底。半導體激光器的一般結構是InGaN量子阱結構，側面通過晶面解理，設計諧振腔結構。通過大電流的注入，當電子和空穴準費米能級之差超過阱中的禁帶寬度時實現粒子數反轉，進一步當增益大于損耗時注入電流達到閾值電流Ith以上，發生激射(Lasing)。除了通常的側面出光的LD，還存在另一種垂直腔面發射激光器(VCSEL)，激光沿著c軸出光，在VCSEL中有源區結構上下需要生長分布式布拉格反射鏡(DBR)結構制備諧振腔。

GaN基激光器早期發展的最大驅動力來自于藍光光盤，由于波長的縮短，聚焦點的減小，藍光光盤可以在單位尺寸上容納更多的數據量，遠大于當前4.7GB紅光DVD的容量。2003年，Sony公司推出了首款藍光DVD播放器產品BD(Blu-ray Disc)。然而，其他存儲設備如硬盤[43]和U盤(快閃存儲器)[44]的快速發展，使藍光DVD的發展受到限制，因而影響了GaN激光器在這一領域的需求。未來，基于GaN的藍綠光激光器的一個最大的市場驅動力可能來源于激光顯示和激光照明。國內目前依托于蘇州納米所的納睿光電能夠生產產品化的GaN藍光激光器。

3.3 紫外LED

近幾年，紫外LED受到了市場的極大關注，是當前科研和產業化的熱點。相比于傳統汞燈，AlGaN基紫外光源是一種固態節能環保光源，發光波長在210～400nm范圍內可調，發光品質也更好。根據國際公約，2020年中國要全面禁止生產含汞產品，進一步加速了AlGaN紫外光源的需求和發展。

按照發光波段UVLED具體可分為UVA(400～320nm)、UVB(320～280nm)、UVC(280～200nm)3個波段[45]。UVA是當前紫外UV市場占比最高的波段，在紫外固化方面有重要應用，生產UVA波段LED的公司主要是日本日亞公司。UVB波段在治療皮膚病、促進維生素D合成方面有應用。UVC波段在殺菌、空氣/水體凈化等方面應用潛力巨大。在UVB和UVC波段，主要是美國SET公司。此外，美國Lumileds、德國Osram、韓國LGIT、首爾半導體等公司也有相應產品。國內方面，UV公司主要有青島杰生、西安中為、鴻利光電等，科研單位主要有中科院半導體所、廈門大學、華中科技大學、北京大學等。

UV市場近年來不斷增長，國際大公司和科研單位紛紛在該領域布局，加強研發力量。但整體而言，其市場規模仍然較小，根據法國市場調研公司Yole Développement報告，預計2019年UVLED的市場將達到5億美元，未來仍有較大增長空間。

4 GaN產業的未來發展

4.1 GaN基半導體照明產業的未來發展

4.1.1 半導體照明產業發展與激光照明

未來LED照明將繼續成熟，不斷降低成本、提高性能，在照明、顯示等領域的滲透率不斷增長；并且隨著性能的提高和對LED理解的深入，新的應用領域將不斷涌現。新型具有智能控制接口或功能的智慧照明技術不斷發展，如室內室外智慧照明在智能家居、智能建筑中的應用。另一方面，諾貝爾獎獲得者中村修二認為激光是照明的未來，他于2016年預測未來10年激光照明將替代LED照明。激光照明的體積更小、結構更緊湊。除激光照明以外，激光顯示在電視、投影儀、汽車等多個領域，都將有更為廣闊的應用，目前部分高檔轎車已經將激光照明技術用于做前照燈。中村修二指出，目前激光照明價格還太高，但隨著成本的逐步降低，未來激光照明是一個大趨勢。

4.1.2 農業照明

LED光源在農業中將完全可以替代自然照明和傳統人工照明，在推進現代農業分散化、城市化、規模化、自動化運營方面意義重大。LED光照條件對農作物種苗、葉菜、果菜、菌藻等的生長有重大影響，LED在畜牧業家禽養殖及繁育、水產養殖等方面也可提高產量。同時可完善防蟲害、消毒殺菌LED裝備并結合人工智能等智慧照明新技術形成一體化智能照明方案。目前該技術的瓶頸在對光照條件的系統研究不足，要求對各種農作物、家禽、水產的適宜光譜條件、培養環境等有系統清晰的認識，在補光燈設計上，要根據這些知識，進行專門的優化。無論從促進現代農業發展的角度，還是從節能環保的角度，LED應用于農業都是未來大勢所趨。 隨著中國農業照明技術的不斷提升，其成本將會逐漸降低，而中國作為農業大國也為農業照明提供了廣闊的發展空間。

4.1.3 可見光通信

隨著當前LED燈的普及和成本的大幅降低，可見光通信逐漸興起。LED燈通過芯片的控制可以實現極快的頻閃，足以支撐比傳統光源更快的開關切換速度，而開關的切換意味著0和1的邏輯信息切換，即可以實時傳輸數據。該通信方式省去了傳統實體光纖的鋪設，可以節省成本；同時也避免了無線電、微波等電磁污染，更節能環保；而且隨著傳輸速率不斷提高，未來應用體驗可以超過WiFi信號。目前可見光通信還存在一些技術難題，例如上傳數據瓶頸、LED燈信號調制頻率、高速白光收發模塊、降低遠距離通信誤碼率等，都需要進一步提高。

4.2 GaN基功率電子器件

近年，GaN基電子器件受到了學術界和產業界的共同關注，形成了新的研究熱點。AlGaN/GaN異質結材料中極化電場誘導形成高密度二維電子氣(2DEG)，同時又具有高飽和電子漂移速度、高擊穿電場等優越性質，以其制備的高電子遷移率晶體管(HEMT)在軍事領域X波段雷達及民用通信方面有重大應用。當前，GaN基微波功率器件已在軍用雷達上取得了一系列突破性進展，不久將在4G-5G移動通訊基站上形成規模化應用。目前的工作主要集中在提升器件可靠性、高頻特性等。GaN基電力電子器件在下一代高效高功率高速開關中優勢明顯，相比于傳統Si基器件可大幅降低電力轉換中的能源損耗、提高工作頻率、縮小電源裝置的體積，其市場前景巨大，有望形成與半導體照明并駕齊驅的產業。Ⅲ族氮化物生產線如圖8所示。

圖8 Ⅲ族氮化物生產線一瞥

5 結語： 物理與工程結合的典范

以GaN為代表的Ⅲ族氮化物，是第三代半導體材料的主流，在藍光LED方面取得了巨大的成功，引發了照明、顯示等產業的技術革命，極大地改變了人們的生活。GaN的寬禁帶性質使它在藍光、紫外等短波長光電器件中具有本征的優勢。GaN的LO聲子能量大，結合其較大的禁帶寬度可實現多種室溫和高溫工作器件。此外，GaN優異的物理、化學性質和強抗輻照性能，更使它在極端環境下享有獨特的優勢。

GaN的短板在于晶體質量較差，其位錯密度比GaAs材料高4～5個數量級，盡管這樣的晶體質量可以滿足高效發光器件的要求，但對其他器件往往是難以克服的關鍵障礙。例如對電子器件的可靠性、穩定性方面有較大影響，在激光器中位錯密度也依然是限制器件性能的關鍵，并且探測器中很多設計的結構無法在實驗中完美展示。未來GaN的研究在發展完善藍寶石、硅襯底的同時，應該會下大力氣投入在自支撐襯底等方面，為GaN材料的各種優勢的發揮掃清障礙。

材料物理的研究應該以器件應用為落腳點，GaN基的各種器件在工程中的廣泛應用，為當前諸多新型材料的研究提供了一種范式或參考，也開辟了宏大的發展空間。在過去短短20多年中，GaN材料已經迅速得到學術界、工業界的深切關注，全世界先進國家都投入大量的資源和研究工作，產業得到快速增長，造就了很多著名的公司。工程的需求和問題促進了材料物理的研究和澄清，反過來材料和器件物理的研究又快速促進了LED等光電和電子產品性能的提高。以GaN為代表的Ⅲ族氮化物的成功， 堪稱物理與工程結合的典范，也正契合本刊 《物理與工程》的宗旨！

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THEPHYSICSANDENGINEERINGINⅢ-NITRIDESEMICONDUCTORS—A SUCCESSFUL MODEL OF COMBINATION OF BASIC RESEARCH AND COMMERCIALIZATION

RONGXin1LIShunfeng2GEWeikun1

(1Research Center for Wide Gap Semiconductor， Peking University， Beijing 100871;2Dongguan Institute of Opto-electronics， Peking University， Dongguan Guangdong 523808)

Represented by GaN, Ⅲ-Nitrides belong to a new group of wide-gap semiconductor materials, the so called “third generation semiconductors”. Comparing with traditional semiconductors, such as Ge, Si and Ⅲ-Ⅴ semiconductors, GaN has many superior properties, e.g. wide band-gap, high breakdown voltage, high physical and chemical stability. Although the crystal quality of GaN is worse than the “traditional” semiconductors, it didn’t pose big obstacles for the application of GaN-based systems in opto-electronic and electronic devices. GaN, as a new wide-gap semiconductor, is a successful model of combination of basic research and commercialization during the last few decades.

Ⅲ-Nitrides； light-emitting diode； semiconductor technology； commercialization； combination of physics and engineering

2017-07-29

國家自然科學基金項目(批準號：61376060，61674010，61704003);廣東省科技計劃項目(批準號：2014B090905002，2014A050503005)，東莞市國際合作項目(批準號：2013508102006)。

榮新，工程師，2016年獲北京大學博士學位，主要從事氮化物半導體材料的MBE生長研究和物理實驗教學；李順峰，北京大學東莞光電研究院副院長；江蘇華功第三代半導體產業技術研究院副院長；博士，副研究員。1997年北京大學物理系本科；2005年德國Paderborn大學光電半導體博士。發表學術文章60篇；編寫英文論著1 部，申報和獲得美國、中國發明專利十余項。擔任Scientific Reports，Crystal Growth & Design，Appl. Phys. Lett.等多個優秀學術期刊審稿人。中國有色金屬學會第三代半導體專業委員會委員、第三代半導體產業技術創新聯盟國際分委會GaN應用組組長；葛惟昆，香港科技大學榮休教授， 清華大學物理系教授。1965年畢業于北京大學物理系，1983年獲英國曼徹斯特大學博士學位。曾任中科院半導體研究所副所長，美國達特茅斯學院副教授。專業方向為半導體物理學和自旋電子學，發表論文400余篇，被引用6500多次。著作、翻譯和主編書籍7部。

榮新，李順峰，葛惟昆. 第三代半導體Ⅲ族氮化物的物理與工程——從基礎物理到產業發展的典范[J]. 物理與工程，2017，27(6)：4-19.

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