年积累支撑半导体照明技术开创照明新时代

北京大学宽禁带半导体研究中心

甘子钊 张国义

照明始终与人类的文明和进步联系在一起。火的发明使人类从动物世界得以解脱。而1886年爱迪生发明白炽灯将人们的生产、社会活动延续到夜间，大大地推动了人类的文明进程。100年后的1986年，一场新的革命开始酝酿。开始它还不是那么引人注目，GaN的晶体质量一直达不到器件制备的要求。日本名古屋工业大学的Akasaki等人发明了缓冲层方法在蓝宝石衬底上大面积外延生长GaN, 1989年P-GaN的激活也被他们发现，GaN基材料和器件很快成了研究的热点。虽然GaN基MIS的蓝光发射开始报道于1971年，但它的威力直到1993年被日本日亚公司的Nakamura研制出高亮度蓝光LED才开始显现出来。

在甘子钊院士的关怀下，北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室于1990年筹建金属有机化合物气相沉淀实验室，成立了MOCVD课题组，1993年开始了GaN基材料和器件的研究，并更名为氮化物半导体研究组。此时正处于蓝光LED发展的黎明时期，世界上第一只GaN基高亮LED还没有发光。课题组的成员仅有张国义等几个人，当时发展GaN材料的目标还不是很明确，人们对高缺陷密度（1010cm-2）能否发光还心存疑虑，主要的应用目标还集中在紫外光探测，全色显示，海洋通讯，打印等应用上。随着Nakamura第一只高亮LED报道，GaN的研究迅速升温，新的GaN器件结构不断出现，性能指标不断攀升。北京大学1995年获得高浓度P型GaN。“九五”期间，在国家自然科基金委和“863”高技术信息光电子主题资助下，于1997年先后制备出了氮化物p-n结型，InGaN/GaN双异质结和多量子阱蓝光LED，北京大学成为国内最早的获得GaN基LED发光的研究单位，2001年获得国家高技术发展计划（863计划）先进集体，张国义教授获得先进个人称号。

在此基础上，我们于2000年底开始在上海张江对“九五”期间的863成果“GaN基蓝绿光LED制备技术”实施产业化，成立了上海蓝光科技有限公司，一期建立了LED外延生产线和芯片生产线，总投资5500万元人民币。产业化过程充满着艰辛，我们终于成了中国的第一家GaN外延片、芯片企业。亮度，波长，电压，漏电所有的指标都达到了要求，并逐步被市场接受。上海蓝光目前已经发展成为拥有资本5.5亿元，年销售1.8亿元，在国家科技部组织的历次评比中名列前矛。

在北大的支持和上海蓝光的帮助下，2000年我们在全国高校中率先从英国Thomas Swang公司引进了用于生长GaN基材料系的MOCVD外延系统，为开展以GaN系为主的宽禁带半导体材料和器件的研究创造了直接的有利条件。在这之前的1997年，日本的Nakamura和美国的Schubert等人先后发明了蓝光LED激发荧光粉制备白光LED的工艺，当时报道的发光效率只有7lm/W，甘子钊院士和张国义教授敏锐地发现白光LED的作用，随即在北京大学开展研究，1999年便获得了白光LED制备技术，并申请了相关的专利。

2001年北京大学MOCVD课题组联合微腔物理和微结构光子学组和化学学院的固体化学材料研究组组建的跨学科研究中心，成立了由甘子钊院士担任主任的研究机构--北京大学宽禁带半导体研究中心，扩大了研究领域，积极投入到半导体照明技术的研发中。同年承担了3项863重大项目，分别是“基于GaN基发光二极管白光光源研究”，“GaN紫外光LED研究”和“氮化镓激光器研究”。分别针对氮化物材料生长，器件，荧光粉，封装，应用等多个方向开展研究。

在我们开展863项目研究的同时，世界各主要发达国家纷纷制定自己的国家半导体照明计划，其中著名的有日本的“二十一世纪照明计划”，美国的“半导体照明国家研究项目”，欧洲的“彩虹计划”，各国政府组织各自的国家实验室，公司和大学参与，积极予以资助，发展以通用照明为目标的白光LED光源。世界各大半导体公司和照明公司也参与其中，力争占据半导体照明技术的制高点。在这种形势下，甘子钊院士和张国义教授认为小功率白光LED在未来半导体照明中有很大的局限性，从而确定以功率型LED技术为主要方向。以提高白光LED效率，可靠性和降低制作成本为目标开展研究，研发出具有自主知识产权的白光LED制备的核心技术。着重进行了以下几个方面的研究：

2001年我们首先发明了环形深刻蚀的大功率LED，带自聚焦透镜系统的LED成功提高了LED的出光效率和电流扩展均匀的问题。2003年开始进行激光剥离、垂直结构LED的研究，传统的LED芯片制备工艺中，普遍采用的是正面出光的技术。这种芯片工艺难以克服电极挡光，光从半导体中出射效率低下的困难，平面结构发光不均匀，散热性能差等一系列问题。激光剥离、垂直结构可以有效地解决上述问题。2003年7月成功进行了2英寸大面积无损剥离，同年底实现了激光剥离、上下电极样品的电致发光。激光剥离外延片的成品率达到75%，采用芯片逐片剥离的工艺，成品率达到90%以上。同时我们还在发光面及反光面进行微纳加工，分别利用聚焦离子束刻蚀（FIB），电子束曝光等技术加工出了光子晶格和光子准晶，2004年制备的微结构使LED出光效率提高30%以上。同时还研究了纳米压印技术，为制备光子晶体产业化打下了基础。2006年得到了国家863项目的进一步支持，在此基础上我们在激光剥离设备，电镀设备，晶片键合设备研制上均作了大量的工作。这些成果显著改善了LED的各项性能，为我国的LED制备技术的升级奠定坚实的基础。

其次，中心还在高质量白光LED的制备技术做了较多的工作。我们进行了紫光LED的研究，2001年承担863项目以来，制备了波长390nm，单管功率100mW的紫光LED。我们进行了紫光激发的三基色荧光粉的研究，得到了颜色较均匀的白光，三基色光的匹配将使得白光显色能力得到提高，也可以很方便的调节色温。2004年项目按时全面地完成了863任务。紫光LED各项性能指标为全国领先，三基色荧光粉为国内先进水平。这些技术对开拓高品质白光LED市场有重要意义。我们还研究了功率型LED的封装技术。散热和出光是功率型LED封装的两个主题。我们在研究现有封装的基础上，改进得到两种新颖的封装形式，一种是倒装焊的封装形式，导热良好的Cu热沉改善了散热，同时厚的凸点结构减小了倒装焊的剪切力，使得LED更加可靠，此外这种封装省略了附加热沉，金丝焊接等工艺，节约了工艺成本。另一种为平面化的封装结构结合表面微结构压印技术，相比普通的贴片封装其发光效率可以提高1.6倍以上，而增加的工艺成本不足1/10。该两项技术得到了非常理想的封装效果，散热和出光得到明显改善。

进入“十一五”，中心的研发队伍进一步扩大，研究力量进一步增强，目前有专职研究人员10余人，工程技术人员4人，海外专家3人，还有大量的博士后，博士生，硕士生，总的研究人数已经超过60人。中心现已形成了一支相对比较年轻，老一代著名科学家为学科带头人，中青年科学家为工作在一线的学术带头人的研究队伍，成为国内屈指可数的实力强劲的GaN研究团队之一。中心教授在国际学术会议上做邀请报告20多次。中心与比利时鲁汶大学，日本东京大学、千叶大学、美国堪萨斯州立大学、澳大利亚新南威尔士大学等保持着密切的学术交流和合作研究关系，研究领域也扩展到了GaN基电子学器件方面。

近年来，中心在半导体照明研究方面得到了国家科技部的大力支持，承担了5项863课题和2项973课题。主要研究方向：激光剥离LED的新技术，光子晶体制备技术，GaN自支撑衬底技术，深紫外LED技术，白光LED芯片技术，LED相关的光生物学应用研究，介观光学和自旋偏振LED等。2006年以来，均已经取得重要进展。在激光剥离技术方面采用了新型激光剥离方法，降低剥离产生的应力，同时还研究得到激光剥离在出光面产生粗化图形的方法；在光子晶体制作方面，开发了AAO，干法刻蚀，图形化衬底结合剥离技术，紫外光纳米压印等新技术，有效地提高光子晶体的光提取效率和光子晶体的制备效率；在衬底方面，我们已经引进了进口的HVPE生长系统，成功地生长出GaN厚膜，目前正在进行剥离，掺杂方面的研究，自支撑衬底将大大提高材料的质量，降低工艺的难度，提高器件可靠性；在偏振光方面，开展了GaMnN材料的生长和表征研究，首次观察到了GaMnN中的磁畴，这将为自旋偏振在LED方面的应用打下基础，偏振光LED将大大降低液晶背光源的能量消耗，具有广阔的应用前景，同时还研究了不同生长面和GaN基材料的偏振特性，建立并完善了偏振光测量的系统；在深紫外LED方面，则生长出高质量的AlGaN，得到了280nm的电致发光，紫外光半导体照明将在紫外固化，消毒，光催化方面具有应用价值；我们还进行了光生物学方面的研究，LED的独特的光谱特性将牵引人体生物节律的改变，在动物方面的实验已经积累了大量的数据。