成果编号:
成果名称:
获奖名称: 氮化镓基紫外与深紫外LED关键技术
获奖类别: 国家科学技术进步奖
获奖等级: 二等奖
授奖部门: 国务院
获奖时间: 2015年
主要完成人: 郝跃,李培咸,林科闯,李晋闽,张国华,王军喜,马晓华,闫建昌,蔡伟智,高英,张进成,武帅,李水清,刘喆,魏同波
登记人: 张利锋
开始日期: 2015年
结束日期: 2015
完成单位: 西安电子科技大学,中国科学院半导体研究所,三安光电股份有限公司,青岛杰生电气有限公司,西安中为光电科技有限公司
成果介绍:

  项目名称:氮化镓基紫外与深紫外LED关键技术

    完成人:郝跃,李培咸,林科闯,李晋闽,张国华,王军喜,马晓华,闫建昌,蔡伟智,高英,张进成,武帅,李水清,刘喆,魏同波

    完成单位:西安电子科技大学,中国科学院半导体研究所,三安光电股份有限公司,青岛杰生电气有限公司,西安中为光电科技有限公司

    项目简介:

    本世纪以来,半导体发光二极管(LED)的进步和发展引发了能源产业、照  明产业和环保产业的重大变革,催生出了新的技术和应用,包括绿色照明和紫外光源的革命。紫外LED是指发光波长400纳米(nm)以下的LED,深紫外LED的发光波长在300nm以下。传统的工业紫外光源通常基于汞激发紫外管,存在有毒害、效率低、寿命短、能耗高等固有问题,迫切需要固态LED光源替代传统紫外光源。因此,紫外和深紫外LED已经成为蓝光LED之后新的技术和产业增长点,在装备制造、医疗卫生、信息产业、国家安全、石油化工和高端农业等领域有迫切需求。

  以氮化铝和氮化镓为代表Ⅲ族氮化物半导体材料是实现紫外和深紫外LED的核心,而AlGaN/GaN量子阱结构是高效率紫外与深紫外LED的关键。紫外光具有更高的光子能量和更短的波长,随着AlGaN中Al组分的增加,LED的发光波长将越来越短。但是,随着Al组分的增加将带来三个重大技术难题:(1)AlGaN/GaN材料的晶格失配将越来越大,引起材料缺陷的急剧增加;(2)p型AlGaN的空穴激活能将越来越大,使LED的p型掺杂十分困难;(3)AlGaN材料折射率不断升高,会因全反射严重降低光提取效率。这也是本项目要攻克的三个重要难题。

    在国家计划的重点支持下,本项目经过十余年的奋斗,系统突破并解决了上述难题。(1)首创表面增强脉冲式金属有机物化学气相淀积的材料生长方法,通过反应物的分层输运和材料表面增强反应,成功抑制了氮化铝和铝镓氮材料的缺陷增殖,突破了低缺陷密度的AlN和高Al组分AlGaN材料生长国际难题,实现了表面粗糙度仅0.245nm的外延整体结构。氮化铝材料的缺陷密度降低了1个数量级,45%高Al组分的AlGaN材料的缺陷密度降低近4倍,性能达到了国际最好水平。(2)高掺杂浓度的p型AlGaN材料是提升紫外发光效率的关键,我们研究发现掺杂源镁元素在材料界面具有低的激活能,创新的提出了具有多个界面的短周期超晶格结构掺杂方法,利用界面处的极化电场促进电离,系统地解决了高Al组分AlGaN材料p型掺杂的国际难题,实现了电阻率低至0.034Ω·cm的45%高Al组分的p型材料,性能达到国际最高水平,使紫外LED发光效率提升了54%。(3)由于紫外LED材料具有高的折射率,光在材料中的全反射将严重影响光的输出效率,本项目首次提出了一种有效抑制全反射的纳米微腔结构,显著地降低了全反射引起的光损失,器件发光效率提升了40%。

  项目获得中国和美国发明专利授权 22 项。成果实现了我国在紫外与深紫外LED 技术领域的重大突破,被评价为国际先进水平,脉冲方法生长AlN 材料的技术为国际领先水平。成功实现了典型波长395nm 下光功率32mW,385nm 下18mW,280nm 功率器件46mW 的紫外和深紫外LED 批量化产品,性能达到国际先进水平。项目使三安光电股份有限公司成为世界知名的紫外LED 生产企业。本项目共实现7.1 亿元人民币的产值,产品在我国已经有50 余家企业实现应用,终端产品已经应用于电子产品制造、快速成型、印刷、水净化、医疗、农业等领域,主要用户实现经济效益9.7 亿元人民币,为我国高效率、低能耗、长寿命LED 紫外光源的技术发展与产业化做出了重大贡献。