NanoPpto納米光學技術所應有的市場領域，無一不是以億美元為統(tǒng)計單位的，這其中包括到2009年市場需求超過2.5億美元的數(shù)字影像市場、3億美元的光通信市場以及超過7.5億美元的投影和現(xiàn)實設備。而NanoOpto公司瞄準這些市場也在努力的轉(zhuǎn)變角色，從純粹從事技術研發(fā)的學術機構向更加關注技術商用的商業(yè)化公司轉(zhuǎn)變。

半導體所研制成功氮化鎵基激光器

氮化鎵基半導體材料是續(xù)硅和砷化鎵基材料后的新一代半導體材料，被稱為第三代半導體材料，它具有寬的帶隙，優(yōu)異的物理性能和化學性能，在光電領域具有廣泛的應用前景和研究價值。用氮化鎵基半導體材料研制成的氮化鎵基激光器在國防安全領域和光信息存儲、激光全色顯示、激光打印、大氣環(huán)境監(jiān)測、水下通信、雙色激光探測等領域具有重要的應用價值。

我國非線性光學晶體三朋硫酸鋰（LBO）研究取得了重大進展

中國科學院理化技術研究所的研究組在非線性光學晶體三朋硫酸鋰研究上取得重大進展。他們采用新的生長技術和助溶劑體系，解決了大尺寸、高品質(zhì)LBO晶體生長的關鍵技術問題，突破了LBO晶體難以長達的瓶頸，成功地生長出尺寸大146mm×145mm×62mm、重量為1116.8g的LBO單晶。超過了現(xiàn)有文獻報道的國際上最大重量LBO單晶500g以上。

LBO晶體是全固態(tài)激光技術中最關鍵的材料之一，改成果的取得使中國牌晶體LBO的研究上了一個新的臺階。這將對LBO晶體相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到積極的推動作用。同時將為大口徑、高能、高功率激光技術的發(fā)展提供新的可供選擇的重要變頻材料和器件。

作為第三代半導體材料的代表，氮化鎵基半導體材料是新興半導體光電產(chǎn)業(yè)的核心材料和基礎器件 ，不僅帶來了IT行業(yè)數(shù)字化存儲技術的草命，也將推動通訊技術發(fā)展，并徹底改變?nèi)祟悅鹘y(tǒng)照明的歷史。氮化鎵基半導體材料內(nèi)、外量子效率高，具備高發(fā)光效率，高熱導率、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強度和高硬度等特性，是目前世界上最先進的半導體材料，可制成高效藍、綠、紫、白色發(fā)光二極管和激光器。氮化鎵基激光器在增大信息的光存儲密度、激光打印、深海通信、大氣環(huán)境檢測等領域有著廣泛的應用前景和巨大的市場需求，如果氮化鎵基激光器替代目前的DVD光頭，其記錄密度可以達到現(xiàn)行的2～3 倍，如果打印機采用氮化鎵基激光器，其分辨率可以從現(xiàn)在標準的6 0 0 d p i 提高到1 2 0 0 d p i 。作為一種化合物半導體材料，氮化鎵材料具有許多硅基半導體材料所不具備的優(yōu)異性能，包括能夠滿足大功率、高溫高頻和高速半導體器件的工作要求。其中氮化鎵區(qū)別于第一和第二代半導體材料最重要的物理特點是具有更寬的禁帶，可以發(fā)射波長比紅光更短的藍光。    

GaN材料的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并與SiC、金剛石等半導體材料一起，被譽 為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。它具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有著廣闊的前景。

作為一種具有獨特光電屬性的優(yōu)異半導體材料，氮化鎵的應用市場可以分為兩個部分：

( 1) 憑借氮化鎵半導體材料在高溫高頻、大功率工作條件下的出色性能取代部分硅和其它化合物半導體材料器件市場；

( 2) 憑借氮化鎵半導體材料寬禁帶、激發(fā)藍光的獨特性質(zhì)開發(fā)新的光電應用產(chǎn)品。主要應用于以下幾個方面：

( 1 ) 大屏幕、車燈、交通燈等領域氮化鎵基藍、綠光LED產(chǎn)品的出現(xiàn)從根本上解決了發(fā)光二極管三基色缺色的問題 ，是全彩顯示不可缺少的關鍵器件。藍、綠光L E D具有體積小，冷光源、響應時間短、發(fā)光效率高、防爆、節(jié)能、使用壽命長 ( 使用壽命可達1 0 萬小時以上 ) 等特點。因此藍色發(fā)光二極管在大屏幕彩色顯示、車輛及交通、多媒體顯像、L CD 背光源、光纖通信、衛(wèi)星通信和海洋光通信等領域大有用武之地。

( 2 )為半導體照明奠定產(chǎn)業(yè)化基礎在豐富了色彩的同時，氮化鎵基L E D最誘人的發(fā)展前景是其用作普通白光照明。半導體照明一旦成為現(xiàn)實，其意義不亞于愛迪生發(fā)明白熾燈。按照目前的技術水平和發(fā)展趨勢。半導體普通白光照明市場的開始啟動大約會在2 0 0 6 年前后，而某些特殊照明市場已經(jīng)開始啟動。

( 3 ) 帶來數(shù)字化存儲技術的革命藍色激光器 ( L D)將對1 T 業(yè)的數(shù)據(jù)存儲產(chǎn)生革命性的影響。藍光L D因具有波長短、體積小、容易制作、高頻調(diào)制等特點 ，將取代 目前的紅外光等激光器 (目前的V CD ~ D DV D的激光光 頭為紅外光源 )，在民用領域有著很大的潛在市場。  

( 4 ) 軍事領域有重要的用途在軍事上可制成藍光激光器，具有驅(qū)動能耗低，輸出能量大的特點，其激光器讀取器可將 目前的信息存儲量提高數(shù)倍，并大大提高探測器的精確性及隱蔽性，因此藍光激光器將廣泛用于軍事用途。深海在藍光范圍有一個窗口，氮化鎵基激光器可以用來進行深海探測和通信 ，在國防領域應用具有深遠意義。另外，藍光L D還可應用于光纖通。信、探測器、數(shù)據(jù)存儲、光學閱讀、激光高速印刷等領域。     

氮化鎵材料的制備

制備高質(zhì)量的 GaN 體單晶材料和薄膜單晶材料, 是研究開發(fā)Ë 族氮化物發(fā)光器件、電子器件以及保證器件性能和可靠性的前提條件. 因為GaN 的融點高, 所以很難采用熔融的液體GaN 制備體單晶材料, 即使采用了高溫、高壓技術, 也只能制備出針狀或小尺寸的片狀GaN 晶體. 目前仍在開展生長大尺寸 GaN體單晶材料的研究工作.隨著異質(zhì)外延技術的不斷進步, 現(xiàn)在已經(jīng)可以在一些特定的襯底材料上外延生長得到質(zhì)量較好的GaN外延層, 這使得GaN 材料體系的應用得到了迅速的發(fā)展； GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結構。它在一個無胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。因為其硬度高，又是一種良好的涂層保護材料 ；氮化鎵材料的特性

 1．GaN的化學特性

在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質(zhì)量差的GaN，可用于這些質(zhì)量不高的GaN晶體的缺陷檢測。GaN在HCL或H2氣下，在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2氣下最為穩(wěn)定。 

 2．GaN的電學特性

GaN的電學特性是影響器件的主要因素。未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型,最好的樣品的電子濃度約為4×1016/cm3。一般情況下所制備的P型樣品，都是高補償?shù)模?/SPAN> 很多研究小組都從事過這方面的研究工作，其中中村報道了GaN最高遷移率數(shù)據(jù)在室溫和液氮溫度下分別為μn=600cm2/v·s和μn= 1500cm2/v·s，相應的載流子濃度為 n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。近年報道的MOCVD沉積GaN層的電子濃度數(shù)值為4 ×1016/cm3、<1016/cm3；等離子激活MBE的結果為8×103/cm3、<1017/cm3；未摻雜載流子濃度可控制在1014～1020/cm3范圍。另外，通過P型摻雜工藝和Mg的低能電子束輻照或熱退火處理，已能將摻雜濃度控制在1011～1020/cm3范圍。 

 3．GaN的光學特性  

人們關注的GaN的特性，旨在它在藍光和紫光發(fā)射器件上的應用。Maruska和Tietjen首先精確地測量了GaN直接隙能量為3.39eV。幾個小組研究了GaN帶隙與溫度的依賴關系，Pankove等人估算了一個帶隙溫度系數(shù)的經(jīng)驗公式：dE/dT=－6.0×10－4eV/k。 Monemar測定了基本的帶隙為3.503eV±0.0005eV，在1.6kT為Eg=3.503＋（5.08×10－4T2)/(T－996) eV；GaN材料的生長是在高溫下，通過TMGa分解出的Ga與NH3的化學反應實現(xiàn)的，其可逆的反應方程式為： Ga＋NH3=GaN＋3/2H2   生長GaN需要一定的生長溫度，且需要一定的NH3分壓。人們通常采用的方法有常規(guī)MOCVD(包括APMOCVD、LPMOCVD)、等離子體增強MOCVD（PE—MOCVD）和電子回旋共振輔助MBE等。所需的溫度和NH3分壓依次減少。本工作采用的設備是 AP—MOCVD，反應器為臥式，并經(jīng)過特殊設計改裝。用國產(chǎn)的高純TMGa及NH3作為源程序材料，用DeZn作為P型摻雜源，用（0001）藍寶石與（111）硅作為襯底采用高頻感應加熱，以低阻硅作為發(fā)熱體，用高純H2作為MO源的攜帶氣體。用高純N2作為生長區(qū)的調(diào)節(jié)。用HALL測量、雙晶衍射以及室溫PL光譜作為GaN的質(zhì)量表征。要想生長出完美的GaN，存在兩個關鍵性問題，一是如何能避免NH3和TMGa的強烈寄生反應，使兩反應物比較完全地沉積于藍寶石和Si襯底上，二是怎樣生長完美的單晶。為了實現(xiàn)第一個目的，設計了多種氣流模型和多種形式的反應器，最后終于摸索出獨特的反應器結構，通過調(diào)節(jié)器TMGa管道與襯底的距離，在襯底上生長出了GaN。同時為了確保GaN的質(zhì)量及重復性，采用硅基座作為加熱體，防止了高溫下NH3和石墨在高溫下的劇烈反應。對于第二個問題，采用常規(guī)兩步生長法，經(jīng)過高溫處理的藍寶石材料，在550℃，首先生長250A0左右的GaN緩沖層，而后在1050℃生長完美的GaN單晶材料。對于 Si襯底上生長GaN單晶，首先在1150℃生長AlN緩沖層，而后生長GaN結晶。生長該材料的典型條件如下： 

NH3：3L/min  

TMGa：20μmol/minV/Ⅲ=6500 

N2：3～4L/min 

H2：2<1L/min  

人們普遍采用Mg作為摻雜劑生長P型GaN，然而將材料生長完畢后要在800℃左右和在N2的氣氛下進行高溫退火，才能實現(xiàn)P型摻雜。本實驗采用 Zn作摻雜劑， DeZ2n/TMGa=0.15，生長溫度為950℃，將高溫生長的GaN單晶隨爐降溫，Zn具有P型摻雜的能力，因此在本征濃度較低時，可望實現(xiàn)P型摻雜。但是，MOCVD使用的Ga源是TMGa，也有副反應物產(chǎn)生，對GaN膜生長有害，而且，高溫下生長，雖然對膜生長有好處，但也容易造成擴散和多相膜的相分離。中村等人改進了MOCVD裝置，他們首先使用了TWO—FLOWMOCVD（雙束流MOCVD）技術，并應用此法作了大量的研究工作，取得成功。雙束流MOCVD生長示意圖如圖1所示。反應器中 由一個H2＋NH3＋TMGa組成的主氣流，它以高速通過石英噴平行于襯底通入，另一路由H2＋N2 形成輔氣流垂直噴向襯底表面，目的是改變主氣流的方向，使反應劑與襯底表面很好接觸。用這種方法直接在α—Al2O3基板（C面）生長的GaN膜，電子載流子濃度為1×1018/cm3，遷移率為200cm2/v·s，這是直接生長GaN膜的最好值。

氮化鎵材料的相關應用 

GaN基光電器件  

GaN材料系列是一種理想的短波長發(fā)光器件材料，GaN及其合金的帶隙復蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。自從1991年日本研制出同質(zhì)結GaN藍色 LED之后，InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結超亮度藍色LED、InGaN單量子阱GaNLED相繼問世。目前，Zcd和6cd單量子阱GaN藍色和綠色 LED已進入大批量生產(chǎn)階段，從而填補了市場上藍色LED多年的空白。以發(fā)光效率為標志的LED發(fā)展歷程見圖3。藍色發(fā)光器件在高密度光盤的信息存取、全光顯示、激光打印機等領域有著巨大的應用市場。隨著對Ⅲ族氮化物材料和器件研究與開發(fā)工作的不斷深入，GaInN超高度藍光、綠光LED技術已經(jīng)實現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機構都紛紛投入巨資加入到開發(fā)藍光LED的競爭行列；1993年，Nichia公司首先研制成發(fā)光亮度超過lcd的高亮度GaInN/AlGaN異質(zhì)結藍光LED，使用摻Zn的GaInN作為有源層，外量子效率達到2.7％,峰值波長450nm,并實現(xiàn)產(chǎn)品的商品化。1995年，該公司又推出了光輸出功率為2.0mW，亮度為6cd商品化GaN綠光 LED產(chǎn)品，其峰值波長為525nm，半峰寬為40nm。最近，該公司利用其藍光LED和磷光技術，又推出了白光固體發(fā)光器件產(chǎn)品，其色溫為6500K，效率達7.5流明/W。除Nichia公司以外，HP、Cree等公司相繼推出了各自的高亮度藍光LED產(chǎn)品。高亮度LED的市場預計將從1998年的 3.86億美元躍升為2003年的10億美元。高亮度LED的應用主要包括汽車照明，交通信號和室外路標，平板金色顯示，高密度DVD存儲，藍綠光對潛通信等。

在成功開發(fā)Ⅲ族氮化物藍光LED之后，研究的重點開始轉(zhuǎn)向Ⅲ族氮化物藍光LED器件的開發(fā)。藍光LED在光控測和信息的高密度光存儲等領域具有廣闊的應用前景。目前Nichia公司在GaN藍光LED領域居世界領先地位，其GaN藍光LED室溫下2mW連續(xù)工作的壽命突破10000小時。HP公司以藍寶石為襯底，研制成功光脊波導折射率導引GaInN/AlGaN多量子阱藍光LED。Cree公司和Fujitsu公司采用SiC作為襯底材料，開發(fā)Ⅲ 族氮化物藍光LED，CreeResearch公司首家報道了SiC上制作的CWRT藍光激光器，該激光器彩霞的是橫向器件結構。富士通繼Nichia，CreeResearch和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN藍光激光器，該激光器可在室溫下CW應用，其結構是在SiC襯底上生長的，并且采用了垂直傳導結構（P型和n型接觸分別制作在晶片的頂面和背面），這是首次報道的垂直器件結構的CW藍光激光器。在探測器方面，已研制出GaN紫外探測器，波長為369nm，其響應速度與Si探測器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN探測器將在火焰探測、導彈預警等方面有重要應 

GaN 基光探測器 

GaN 基光探測器的潛在應用主要包括火焰?zhèn)鞲小⒊粞醣O(jiān)測、污染監(jiān)測、血液分析、水銀燈消毒監(jiān)控、激光探測器和其它要求具有太陽盲區(qū)特性方面的應用. 目前A PA 光學公司已經(jīng)向市場推出商品化的 GaN基UV 探測器系列, 并借助于其在GaN 基 FET s 器件領域的領先技術, 正在開發(fā)探測器ö FET 混合器件,以用于工作溫度高達 200～ 300℃的火焰?zhèn)鞲衅饔谩?/SPAN>

GaN 基電子器件的應用 

GaN 基電子器件的應用領域也極為廣泛, 有望在航空航天、高溫輻射環(huán)境、石油勘探、自動化、雷達與通信、汽車電子化等方面發(fā)揮重用作用.在航空航天領域, 高性能的軍事飛行裝備、噴氣式飛機和民用飛機都需要能夠在高溫下工作的傳感器、電子控制系統(tǒng)、功率電子器件等, 以提高飛行的可靠性. 下一代渦輪控制系統(tǒng)將要采用可以在 350℃的高溫環(huán)境下工作的電子裝備, GaN 基電子器件將大有用武之地, 同時由于 GaN 基電子器件在高溫工作時無需制冷器, 可以簡化電子系統(tǒng), 減輕飛行重量.高溫輻射環(huán)境包括核反應堆、制備氚系統(tǒng)裝置、核廢物存儲裝置等這些環(huán)境溫度常常達到幾百度, 并受到R 射線和中子輻照, 因此需要耐高溫、耐輻射的電子監(jiān)控系統(tǒng).大功率相控陣雷達主要受熱耗散的限制, 采用高溫、高功率密度的 GaN 基電子器件可望改善整個系統(tǒng)的性能, 并可以去除冷卻裝置, 大大減小系統(tǒng)體積. 另外汽車電子化中對發(fā)動機的監(jiān)控, 重型設備制動器、耐高溫傳感器、蜂窩地面站和衛(wèi)星通信等方面都有著很大的應用市場  作為一種化合物半導體材料，GaN材料具有許多硅基半導體材料所不具備的優(yōu)異性能，包括能夠滿足大功率、高溫高頻和高速半導體器件的工作要求。其中GaN區(qū)別于第一和第二代半導體材料最重要的物理特點是具有更寬的禁帶，可以發(fā)射波長比紅光更短的藍光。  

  GaN半導體材料的商業(yè)應用研究開始于1970年，其在高頻和高溫條件下能夠激發(fā)藍光的獨特性質(zhì)從一開始就吸引了半導體開發(fā)人員的極大興趣。但是GaN的生長技術和器件制造工藝直到近幾年才取得了商業(yè)應用的實質(zhì)進步和突破。1992年被譽為GaN產(chǎn)業(yè)應用鼻祖的美國Shuji Nakamura教授制造了第一支GaN發(fā)光二極管（LED）；1999年日本Nichia公司制造了第一支GaN藍光激光器，激光器的穩(wěn)定性能相當于商用紅光激光器。從1999 年初到2001年底，GaN基半導體材料在薄膜和單晶生長技術、光電器件方面的重大技術突破有40多個。由于GaN半導體器件在光顯示、光存儲、激光打印、光照明以及醫(yī)療和軍事等領域有著廣闊的應用前景，GaN器件的廣泛應用將預示著光電信息乃至光子信息時代的來臨。因此，以GaN為代表的第三代半導體材料被譽為IT產(chǎn)業(yè)新的發(fā)動機。近幾年世界各國政府有關機構、相關企業(yè)、以及風險投資公司紛紛加大了對GaN基半導體材料及其器件的研發(fā)投入和支持。美國政府2002年要求用于GaN相關研發(fā)的財政預算超過5500萬美元。通用、飛利浦、Agilent等國際知名公司都已經(jīng)啟動了大規(guī)模的GaN基光電器件商用開發(fā)計劃。風險投資機構同樣表現(xiàn)出很大的興趣，近三年內(nèi)向該領域總計投入了約5億美元的資金。

  作為一種具有獨特光電屬性的優(yōu)異半導體材料，GaN的應用市場可以分為兩個部分：

（1）憑借GaN半導體材料在高溫高頻、大功率工作條件下的出色性能取代部分硅和其它化合物半導體材料器件市場；

（2）憑借GaN半導體材料寬禁帶、激發(fā)藍光的獨特性質(zhì)開發(fā)新的光電應用產(chǎn)品。目前GaN光電器件和電子器件在光學存儲、激光打印、高亮度LED以及無線基站等應用領域具有明顯的競爭優(yōu)勢，相關的商業(yè)專利已經(jīng)有20多項，涉足GaN半導體器件商業(yè)開發(fā)和制造的企業(yè)也越來越多。其中高亮度LED、藍光激光器和功率晶體管是當前器件制造商和投資商最為感興趣和關注的三個GaN器件市場。  GaN基藍綠光LED產(chǎn)品的出現(xiàn)從根本上解決了發(fā)光二極管三基色缺色的問題，是全彩顯示不可缺少的關鍵器件。藍、綠光LED具有體積小、冷光源、響應時間短、發(fā)光效率高、防爆、節(jié)能、使用壽命長（使用壽命可達10萬小時以上）等特點。因此藍色發(fā)光二極管在大屏幕彩色顯示、車輛及交通、多媒體顯像、LCD背光源、光纖通訊、衛(wèi)星通訊和海洋光通訊等領域大有用武之地。在豐富了色彩的同時，GaN基LED最誘人的發(fā)展前景是其用作普通白光照明。半導體照明一旦成為現(xiàn)實，其意義不亞于愛迪生發(fā)明白熾燈。按照目前的技術水平和發(fā)展趨勢，半導體普通白光照明市場的開始啟動大約會在2006年前后，而某些特殊照明市場已經(jīng)開始啟動。藍色激光器（LD）將對IT業(yè)的數(shù)據(jù)存儲產(chǎn)生革命性的影響。藍光LD因具有波長短、體積小、容易制作高頻調(diào)制等特點，將取代目前的紅外光等激光器（目前的VCD和DVD的激光光頭為紅外光源），在民用領域有著很大的潛在市場。在軍事上，可制成藍光激光器，具有驅(qū)動能耗低，輸出能量大的特點，其激光器讀取器可將目前的信息存儲量提高數(shù)倍，并大大提高探測器的精確性及隱蔽性，因此藍光激光器將廣泛用于軍事用途。另外，藍光LD還可應用于光纖通訊、探測器、數(shù)據(jù)存儲、光學閱讀、激光高速印刷等領域。  

氮化鎵材料的前景及展望

在未來，氮化鎵材料將成為市場增幅最快的半導體材料，到2006年將達到30億美元的產(chǎn)值，占化合物半導體市場總額的20%。同時，作為新型光顯示、光存儲、光照明、光探測器件，可促進上千億美元相關設備、系統(tǒng)的新產(chǎn)業(yè)的形成。根據(jù)美國市場調(diào)研公司Strategies Unlimited的分析數(shù)據(jù)，2001年世界GaN器件市場接近7億美元，還處于發(fā)展初期。該公司預測即使最保守發(fā)展，2009年世界GaN器件市場將達到48億美元的銷售額。專家認為，新的GaN基應用產(chǎn)品的出現(xiàn)和電子器件向光電乃至光子器件升級等因素將使得未來GaN市場很有可能呈突變性急劇增長態(tài)勢。從投資角度看，目前對于GaN基LED的投資相對較多。但同時有必要給予GaN基功率晶體管和GaN基藍色激光器以更多關注，盡管現(xiàn)階段其制造技術仍然不成熟，但預計一旦在襯底等關鍵技術領域取得突破，其產(chǎn)業(yè)化進程將會取得長足發(fā)展。2013年、2014年市場需求更是成倍增長。

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2015-0312