第三代半导体材料在光电器件领域的应用

半导体照明

　　半导体照明技术及其产品正向着更高光效、更低成本、更可靠、更多元化领域和更广泛应用的方向发展。新型衬底上外延高效率GaN-LED正是突破蓝宝石衬底外延瓶颈的发展趋势。SiC是除了蓝宝石之外，作为GaN外延衬底使用最多的材料。但是，眼下SiC 衬底的市场主要被Cree公司垄断，导致其市场价格远高于蓝宝石，所以SiC 衬底的应用还远没有蓝宝石那样广泛。

　　美国Cree公司依靠其掌握的SiC晶体制备和LED外延等关键技术，逐步实现了从SiC衬底到LED外延、芯片封装、灯具设计的完整照明器件产业链，垄断了整个SiC衬底LED照明产业。2013年，Cree公司报道的LED发光效率已经超过276 lm/W。Cree的LED照明产业的年产值达到了12亿美元，市场规模增长迅速。由此可见，SiC衬底LED在照明产业中占据的市场规模不容小觑，表现出很强的市场竞争力和技术竞争力。

　　另外，采用自支撑 GaN 衬底制备LED可以最大程度地降低LED外延结构的晶格失配和热失配，实现真正的同质外延，可以大幅度降低由异质外延引起的位错密度。国际上相关报道较多的几个研究组是美国的通用公司（GE）、加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）、佐治亚理工学院（Georgia Tech）、西弗吉尼亚大学（West Virginia）大学、以及日本的住友（Sumitomo）电工、松下（Panasonic）和三菱（Mitsubishi）等。美国 UCSB 的研究人员在2012年报道自支撑GaN衬底上同质外延LED的发光效率已经超过160lm/W。并且在较高电流密度下，光输出依然没有饱和，且反向漏电流极低。在高注入电流条件下，GaN同质衬底外延技术表现出蓝宝石外延技术所没有的性能优势。

２

短波长激光器

　　大功率、低成本的短波长激光器一直是激光技术研究的重点和难点，而III族氮化物材料体系的光谱特性决定其将在短波长固态激光器领域大显身手。

　　氮化物半导体激光器具有结构简单、体积小、寿命长、易于调制等特点，有助于实现更高的亮度、更长的寿命和更丰富的色彩。信息科技的发展迫切需要功率密度更高、发光波长更短的激光器。

　　由于绿色光在水下的损耗较小，绿光半导体激光器可用于深海光无线通信，其具有抗干扰、保密性好的优点。蓝色和紫外光激光器由于其波长短，能量高，能实现更大的存储密度（单张单层蓝光光盘的存储密度最少为25GB，是普通DVD光盘的5倍），在信息领域将对数据的光存储产生革命性的影响。

　　近年来，绿光激光器的重点突破是基于GaN衬底的高In组分同质外延和二次外延技术，实现InGaN材料中In组分超过35%，激射波长达到510～530nm的绿光激光器。紫外光激光器的重要突破是AlN模板（低成本）与AlN衬底（高性能）互补结合，实现高质量、高Al组分AlGaN材料的外延制备技术，实现发光波长280～300nm，室温光泵浦发光的紫外激光器。

３

光伏电池

　　第3代半导体在新能源领域同样具有重要应用前景。GaN材料体系中的InGaN（铟镓氮）太阳能电池的光学带隙可连续调节，特别适合于制作多结叠层太阳能光伏电池，实现全太阳可见光谱能量的吸收利用，提高光伏电池的转换效率。其理论转换效率可达70%，远远超过其他材料体系。同时，InGaN的抗辐射能力远强于目前常用的Si、GaAs等太阳能电池材料，更适合应用于存在强辐射的外太空环境中，如为外太空航天器提供动力的太阳帆，因此InGaN太阳能电池在航空航天等领域也有广泛应用。

４

其他

　　第3代半导体材料在光显示、光存储、光照明等领域的广泛应用，已经预示着光电信息时代乃至光子信息时代的来临。因此，以GaN为代表的第3代半导体材料被誉为IT产业发展的新引擎。除此之外，第3代半导体材料在其他特殊技术领域也有着一定的应用前景。

　　基于GaN基可见光LED的可见光通信技术可用于航空、医院、汽车工业、交通信息管理、办公室互联网接入、数字家庭、仓储管理和军事敏感区域的无线数据通信。可见光通信技术的优点包括无需频谱认证、保密性好（可见光沿直线传播，遮挡住光线就不会被窃听）、无电磁辐射、信息容量大（利用LED照明无处不在的优势）等。光学无线智能家居集成系统是可见光通信技术的典型应用之一，克服了基于无线射频和电力载波通信技术的家居系统的缺点，在电器终端接入方式方面具有划时代的意义，实现节能减排与绿色健康生活的有机结合。

　　基于氮化物材料的光探测器具有驱动消耗低，输出能量大的特点，可在很大程度上提高探测器的准确性及隐蔽性，所以可以应用于军事领域。尤其是基于高Al组分AlGaN材料的太阳盲区深紫外探测器，其利用太阳光谱中280nm以下波段紫外光由于被大气臭氧层强烈吸收而无法到达地面，从而使得探测的深紫外光信噪比高的原理，可广泛应用于空载、舰载或地面探测预警系统，特别是可探测来自6000km高度内的导弹尾焰，误报率极低。

　　第3代半导体材料拥有前2代半导体材料所不具有的优异性能，应用前景广阔。但是由于第3代半导体材料的发展至今只有20年左右的时间，很多技术还有待完善。得益于国家层面的大力支持，第3代半导体技术及产业正在发达国家迅速壮大，并且已经渗透进能源、交通、信息、国防等重要领域，并有力支撑了发达国家以低能耗、绿色环保为核心理念的产业升级。目前，阻碍第3代半导体技术大规模取代传统半导体的首要问题是成本。前2代半导体技术多年的发展和完善，其材料成本和技术成本持续走低，相比而言，第3代半导体材料的成本依然较高。但是，历史的经验也昭示着随着技术的完善和应用市场的推广，第3代半导体技术的成本下降是必然的。其次问题是市场需要一定的时间（根据不同的行业，大约2～5年）去验证全新技术的可靠性。不过，这些都是时间问题，第3代半导体产业的崛起已不存在绝对的阻碍。

来源中科院半导体所图信中心，电子材料圈编辑整理。

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