氮化物半導體是第三代半導體的典型代表，具有禁帶變化范圍寬、二維電子氣密度高等一系列優異性質，是繼Si和GaAs之后最重要的半導體材料。氮化物半導體在半導體照明、新一代移動通訊、新一代通用電源、雷達、新能源汽車等領域有重大應用，對國家產業升級、節能減排、國防安全具有戰略意義。
 

在近日由長治市人民政府、國家半導體照明工程研發及產業聯盟（CSA）和山西云時代技術有限公司共同主辦的“第二屆紫外LED長治產業發展峰會”上，北京大學教授沈波分享了AlGaN基深紫外發光材料和器件趨勢以及高質量外延生長和高效p型摻雜、AlGaN基DUV-LED器件研制等的技術進展。

 

氮化物半導體是全球高技術競爭的關鍵領域之一，美國等關鍵材料和芯片，以及重要技術上對我國實施禁運。我國政府高度重視，在“中國制造2025”和若干國家科技計劃中，均把其列為重點方向。

氮化物半導體涉及藍/白光LED、紫外LED，微波射頻器件、功率電子器件等諸多應用，比如深紫外光源已用于日常生活、生產科研、國土安全等領域。

AlN和高Al組分AlGaN的固態紫外發光是不可替代的第三代半導體，現有的汞燈和氣體激光器等氣態紫外光源，汞污染、電壓高、體積大、壽命短等劣勢，并且聯合國《關于汞的水俁公約》已經于2020年開始生效，將于2030年在全球徹底禁止汞的使用。
 

AlGaN基UV-LED是固態紫外光源，無汞污染、電壓低、體積小、效率高、壽命長、利于集成。國內紫外LED市場發展預期方面，新冠疫情影響，殺菌消毒市場快速啟動，預計2025年紫外LED光源市場規模可達87-90億元，未來五年年均復合增長率高達25%。預期2025年，UVC-LED出貨量將達40億顆以上，外延片和芯片需求~50萬片。AlGaN基UV-LED面臨的關鍵問題是AlN 和AlGaN 外延層中的位錯密度和殘留應變。

針對高質量外延生長和高效p型摻雜以及AlGaN基DUV-LED器件研制，沈波教授詳細分享了最新的研究進展、方法與關鍵。其中，關于外延生長和p型摻雜涉及高質量AlN的外延生長、高內量子效率AlGaN基多量子阱的外延生長、高Al組分AlGaN的高效p型摻雜。由于異質外延和體系內部大失配、強極化的特性，AlN、高Al組分AlGaN及其量子結構的外延生長和DUV-LED研制依然面臨一系列關鍵科學和技術問題。
 

報告中分享了發明的“小合攏區NPSS側向外延”方法制備出高質量AlN外延層，AlN層XRD搖擺曲線半高寬為132 (002) /140(102) arcsec；在AlN/藍寶石模板上外延生長出高質量AlGaN基多量子阱，發光波長276 nm，IQE達84%；發明“脫附控制超薄層外延”方法，制備出短周期超晶格結構p-AlGaN層， 空穴濃度達6.7×1018cm-3；開展了DUV-LED芯片研制，實現了發光波長276nm，光輸出功率29mW@100mA的深紫外LED器件。