张国义：III族氮化物半导体材料的应用及发展

2013年9月5日，首届第三代半导体材料及应用发展国际研讨会在深圳成功召开。本次会议由国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)、中国国际光电博览会共同主办，来自中科院半导体研究所、南京大学、北京大学、科锐公司、西安电子科技大学等研究机构以及企业的近百名人士参加了此次会议。

北京大学宽禁带半导体联合研究中心主任张国义在会上以《III族氮化物半导体材料及其应用》为题，从半导体照明、激光显示、高温大功率高频电子器件、紫外探测器及发光器件、稀磁半导体与自旋电子学、全太阳能光伏器件六个方面，介绍了氮化物半导体的应用情况和发展前景。

他首先介绍了氮化物半导体的特点，主要有：GaN、AIN、InN及其合金体系，全部为直接带隙，构成高亮度发光材料;易于生成多层异质结构，形成MQWs、SLS、2DEG等结构，有利于器件结构设计;带隙范围覆盖了整个可见光到远紫外波段，特别是在短波长方面，目前是唯一的最佳选测;还有结构稳定、耐腐蚀、高温、长寿命等。

他指出目前氮化物半导体的主要的用途有，第一个是高亮度紫外光、蓝光、绿光和白光光发射二极管(LED)，包括红外和红外光LED;第二个是紫外(UV)、蓝、绿光激光器;第三是可见光盲的UV-光传感器;第四是高温大功率效应晶体管;第五个是高温稀磁半导体、自旋电子学器件、第六个是全太阳能光伏器件，此外还有更多的应用领域在发展。

他说半导体照明领域是目前氮化物半导体应用最为成熟的领域，在半导体照明的发展中，衬底材料是源头，决定着MOCVD设备、生长技术、芯片结构、封装结构等技术的发展。但同时他强调到，半导体照明是第三代半导体技术应用的最为重要的一个方面，没有半导体照明就没有第三代半导体的形成条件。

在激光显示技术的应用发展方面，张国义指出，未来的发展趋势是低成本、小体积、高功率的红绿蓝三基色激光器。未来激光显示技术会在投影、3D打印拥有巨大的市场，也是目前发展速度比较快的领域;另外便携式投影仪、与LED相结合的投影技术也基本成熟;而纯激光的裸眼3D技术被认为是在未来显示技术领域会引起关注的重要方向。他说，随着高密度存储市场的饱和，激光显示应用将是氮化物半导体激光器市场的新推动力。

谈到未来激光显示的市场前景，张国义指出，显示产业是年产值超过千亿美元的新产业，是信息时代的先导性支柱产业，我国激光显示是最有可能领先国际水平的新型显示技术，而3D是最有生命力且终将成为显示技术共性平台的下一代显示技术。预计5年后激光显示年产值将达100亿，装机量达50万台。

在紫外和深紫外LED的应用方面，张国义指出主要有紫外光的发光器和紫外光的探测器件，国防建设需求较大，主要应用于国防和导弹制导、预警、跟踪和监测等方面。在民用方面，在生物、消毒、杀菌，紫外固化等领域市场广阔。

张国义重点介绍了稀磁半导体和自旋电子学的应用，他说稀磁半导体和自旋电子学是未来电子学领域和光电子学领域的重要发展方向。他说每个电子态都有自旋向下和自旋向上的两个电子，如果将这两种状态分开，就可利用自旋态作为信息传输和处理的一种手段，就是所谓的自旋电子学。这种自旋电子如果应用到计算机的信息处理方面，可以考虑自旋电子向上有和无、自旋电子向下有和无四种状态，那么就可以将目前计算机进行信息处理的二进制进入到四进制，将可大大提高计算量和计算速度。但他指出，目前国内在此方面的研究并不快。

他最后总结道，氮化物半导体材料目前主要应用在6个方面，其中在半导体照明领域的应用最为成熟和最为广泛，但并不是最完善的，还有许多问题需要去开发，还有许多基础问题研究需要解决;GaN-基蓝、绿光激光器最主要的是氮化物的衬底材料还没有解决，电子功率器件逐步走向应用市场。这两个领域市场前景巨大。稀磁半导体和自旋电子领域是最具革命性应用前景的领域，是引起未来信息半导体第二次革命的一个重要方向。紫外LED和探测器、太阳能电池也处于研发状态，特别是全太阳能光伏但市场前景还有待观察。