GaN光电子器件团队

团队简介

15人
  • 研究员1名副研究员1名
  • 工程师4名助理工程师3名
  • 博士研究生3名硕士研究生3名

研究方向概况

  • InGaN基RGB三基色高效micro-LED
  • 大功率半导体蓝绿光边发射激光器
  • 新型垂直腔面发射激光器VCSEL
  • 像素矩阵式车大灯高效LED及其模组
  • AlGaN基近紫外与深紫外垂直结构大功率LED
  • 人体安全的222nm极深紫外光源

未来方向

研究目标

围绕国家和珠三角地区的新型显示、汽车照明及紫外杀菌消毒等产业对核心半导体高效光源的迫切需求,加强跟华为、国星光电、佛山照明等珠三角相关头部企业开展上下游的精准对接,依托研究院的第三代半导体材料外延研发中心、半导体器件微纳加工平台、以及第三代半导体光电子器件封装实验室,联合南方科技大学、深圳大学、哈工大深圳分校、暨南大学、佛科院、港科大深圳校区等研发机构开展协同攻关,承担国家及省部级科研任务,促进半导体高效光电子器件的科技成果产出。

未来规划

瞄准新型显示、汽车照明、紫外杀菌消毒及日盲紫外探测等产业需求,重点研究InGaN基RGB三基色高效micro-LED、大功率半导体蓝绿光边发射激光器、新型垂直腔面发射激光器VCSEL、像素矩阵式车大灯高效LED及其模组、AlGaN基近紫外与深紫外垂直结构大功率LED、人体安全的222nm 极深紫外光源、日盲深紫外探测器及其阵列等,开发全套器件工艺和封装技术,研究器件老化退化机制,进而推动各类高性能半导体光电子器件的工程应用验证。

关键领域

InGaN基RGB三基色高效micro-LED

InGaN基micro-LED是一种最理想的新型微显示技术,与主动式Si基CMOS显示驱动芯片结合,形成一种具有高发光效率与更佳色彩表现的Micro-LED微显示芯片,配合新型光波导将带来划时代的产品体验。由于自发光的GaN Micro-LED微显示芯片无需背光,缩减了各种聚光与投射组件,可大大缩小光机体积;而且每个Micro-LED像素独立开关,光效和动态对比度能显著提升。相较硅基OLED,GaN Micro-LED工作温度范围更广,能够承受更高的电流密度,其输出亮度(最高达1,000,000 nit,30倍OLED)更好,可靠性高,更适用于一些特殊场景和军事领域。另外GaN Micro-LED开关速率高,发光谱更窄,功耗更低(~10% LCD,~50%OLED),光效更高,GaN Micro-LED将成为未来高端消费电子产品,特别是AR技术,最核心的硬件模块,满足对显示亮度、帧率、色彩、待机时间等需求,提供其他解决方案无法媲美的优势。

大功率半导体蓝绿光边发射激光器

半导体激光器是芯片化的激光器,具有体积小、成本低、效率高、寿命长等优势,是应用最广泛的激光器类别。在短波段,从绿光直至深紫外波段,GaN基激光器是目前具有不可替代优势的半导体激光器。日本NEDO、德国光子创新专项“EFFILAS”都部署了氮化镓基激光器科研项目,并被列入我国国家科技创新2030的15个重大科技项目之中。GaN基激光器不仅在显示、照明、存储、材料加工、量子信息和生物医疗等领域有广泛应用。

新型垂直腔面发射激光器VCSEL

以氮化镓(GaN)为代表的III族氮化物材料,是直接带隙半导体,其禁带宽度从0.7 eV到6.2 eV连续可调,是制作紫外到可见光波段半导体激光器的理想材料。基于III族氮化物半导体材料的垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有功耗低、调制速率高、发散角小、圆形光斑、波长稳定性好、可在片测试、易二维集成等优点,在新型显示、激光存储、激光医疗等重要领域具有广阔的市场前景。III族氮化物VCSEL被写入了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2021-2035)》,并成为了国家自然科学重点基金和国家重点研发计划的重要研究内容。

像素矩阵式车大灯高效LED及其模组

ADAS高级驾驶辅助系统(Advanced Driving Assistance System)是利用安装在车上的各式各样传感器(毫米波雷达、激光雷达、单\双目摄像头以及卫星导航),在汽车行驶过程中随时来感应周围的环境,收集数据,进行静态、动态物体的辨识、侦测与追踪,并结合导航地图数据,进行系统的运算与分析,从而预先让驾驶者察觉到可能发生的危险,有效增加汽车驾驶的舒适性和安全性。ADB自适应远光灯系统(Adaptive Driving Beam),一种智能远光灯系统,主要功能是提升夜间会车安全性。传统的汽车头灯,包括一些氙气大灯光线耀眼,在夜间会车时极易造成对向车道驾驶者的眩目,为行车安全埋下隐患。相比之下,ADB技术通过视频摄像头信号的输入,判断前方来车的位置与距离,并相应调整灯光照射区域,关闭或调暗对面车辆区域的灯光照射,避免对来车产生眩光,同时最大限度地满足驾驶者的视野需求,将成为汽车安全照明的技术趋势。

AlGaN基近紫外与深紫外垂直结构大功率LED

III族氮化物半导体紫外LED的发光波长覆盖了200~405 nm的深紫外到近紫外波段,在紫外光固化、纸钞和珠宝防伪鉴定、植物光照催化生长、生物医疗以及杀菌消毒等方面都有广泛的应用前景。相比于传统汞灯而言,紫外LED具有如下优势:(1)紫外LED更加节能,单位面积发光强度比汞灯高出1000倍以上,但耗能仅为汞灯的1/10左右;(2)紫外LED开关机不需要预热,使用寿命远高于传统汞灯;(3)紫外LED稳定性好,照射均匀效果好,且对温度等不敏感;(4)紫外LED紧凑性好、体积小,使用方便;(5)紫外LED对环境友好,不含汞,工作时也不会产生臭氧。当前,欧洲、日本、美国等国家及地区正计划在3~5年内,在部分应用领域实现用氮化物紫外LED取代对环境有危害的汞激发的紫外光源。国际著名市场分析咨询公司Yole Development的市场报告预测,紫外LED市场会加速增长,预计到2021年紫外LED的市场将突破10亿美元。

对人体安全的222nm极深紫外光源

准分子紫外灯基于介质阻挡气体放电原理,具有能量大、面积大、寿命长等优点。使用不同的工作气体,准分子灯可以发出不同波长的、单色性极佳的紫外光,尤其是可以高效地发射波长极短的深紫外和真空紫外光。这些短波长紫外光在集成电路光刻、材料加工、医学研究、杀菌消毒、植物保护等领域具有重要的应用。近年来200-230nm波段的深紫外光被证实是对人体无害的,因此受到了学术界和产业界的广泛关注。在深紫外波段,当前广泛使用的光源是低压汞灯。根据《水俣公约》,含汞制品因为环境破坏性将被逐步淘汰。此外,其发射的184.7nm和253.7nm波长的光,会产生臭氧和灼伤,对人体有害。另一方面,这一波段的LED效率仍很低下,无法实用。因此可以预见的是,在未来很长一段时间里,222nm的氯化氪准分子紫外灯将是高端工业、医疗卫生、植物保护等领域不可或缺的深紫外光源。

主要成果和荣誉

本研究团队主持承担了国家重点研发计划、国家自然科学重点基金、广东省重点研发计划等多项国家省市各级重要科研项目。在Nature Photonics、Light: Science & Applications和ACS Photonics等国家知名顶级学术期刊上发表论文30余篇,申请发明专利30余项。目前已研发硅基AlGaN垂直结构近紫外大功率LED的材料生长、器件制备和芯片封装技术,研制了硅基AlGaN垂直结构近紫外大功率LED芯片,性能达到国内领先、国际先进水平。研发了AlGaN基深紫外大功率LED的材料生长、器件制备和芯片封装技术,并已实现向合作企业的技术转移转化。所研制的GaN基蓝光、绿光激光器输出功率分别高达5 W和0.7 W,是目前国内唯一能提供国产绿光边发射半导体激光芯片的单位。