获得国家技术发明奖一等奖的Si衬底GaN基led是何方神圣？

昨天，国内最高等级的科技奖励出炉。大众的关注焦点在于获得诺贝尔奖的屠呦呦竟然没有获奖！官方解释是无人推荐。一时间又是一地鸡毛。

其实除了瞩目的屠呦呦先生没有获奖之外，国家科技奖还有很多关注点，比如国家技术发明奖一等奖的硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管。

早在去年，蓝色发光二极管就火过一阵子。大家还记得那个传奇人物“中村修二”吗？简单的来说，这是一个师出“二流院校”、没有高学历、极其恶劣的研发环境、遭受同行和上司的诘难，最终成功研发高亮度蓝光LED的“神人”。最后，中村修二与人分享了2014年诺贝尔物理学奖。他的最重要成就就是高光效GaN基蓝色发光二极管。材料人网曾有专门文章介绍：蓝光LED和缔造者中村修二不“二”般的传奇。（中村修二去年曾来中科院访问，有事出门做实验，没能蹭上一张合照，好遗憾呐……）

说蓝色发光二极管之前，我们先要了解发光二极管。发光二极管，英文名light emitting diode，缩写LED。LED由PN结芯片、电极和光学系统组成，之所以发光是电子跃迁导致。

LED最为人称道的用途是照明。诺贝尔奖评选委员会在关于获奖成就的声明中指出：“20世纪由白炽灯照亮的，那么21世纪将是被LED灯照亮的。”

不过，能够作为照明的只能是白光LED。用红红绿绿的灯照明的那是酒吧。而我们知道，五彩缤纷的颜色是由红、绿、蓝三种原色组成。要想获得白光LED，只能由红、绿、蓝LED组成。20世纪60年代、70年代，红、绿LED陆续研发成功。直到20世纪90年代，中村修二才终于发明了基于氮化镓和铟氮化镓的具有商业应用价值的蓝光LED。

那么好了，为什么国家技术发明奖一等奖和诺奖都说的是GaN基LED呢？看来我们还要先认识下GaN兄。

虽然我们搞材料自夸现在是新材料时代，不过这句话没什么太大的说服力，半导体Si仍然是这个时代当之无愧的代言人。而这个GaN，也是一种半导体材料，几乎可以算得上半导体领域的“储君”了吧。

LED是靠电子跃迁发光，所以波长就取决于半导体材料的禁带宽度。而GaN 基材料具备从 1.9 eV到 6.2 eV之间连续可调的直接宽带隙，所以理论上可以完全覆盖从红光到紫外光的整个可见光光谱。再加上高电子漂移饱和速度、导热性能好、化学稳定性高，所以这家伙适合应用于发光器件。国内将它与SiC , AlN , ZnSe称之为“第三代半导体材料”。虽然三代不三代这种叫法，国外不怎么感冒，但GaN的潜力还是全球公认的。

不过GaN有一段时间可是“失了宠”。它没有合适的单晶衬底材料, 位错密度大,无法实现P型掺杂等问题，遭到了冷落。直到20世纪90年代后,由于缓冲层技术的采用和P型掺杂技术的突破，才让它成为研究的主流。

那么这次获得国家技术发明奖一等奖的GaN基蓝光LED与获得诺奖的蓝光LED有什么不同呢？

在科技部介绍这个项目的页面上，我们可以看到以下这张图

第一条路线，就是诺奖的成果，而第三条就是南昌大学材料科学研究所江风益教授的成果，也就是获得国家技术发明奖一等奖的项目。

很显然，最明显的区别是衬底材料。而且我们可以看到似乎蓝光LED在用衬底材料来划分技术路线。

为什么要用衬底材料来划分技术路线？这就要说到它的重要性了。不同的衬底材料需要不同的外延生长技术、不同的制造工艺，芯片加工和器件封装也会受影响，所以公认是LED照明产业链的基础和关键。

衬底材料的选择也非常讲究，要考虑结构性能、晶格匹配、热膨胀系数匹配、化学稳定性好，还有易加工和低成本。具体到GaN基半导体，衬底材料的选择就只剩下蓝宝石（氧化铝）、SiC、Si、GaN以及AlN。后两者产业化为时尚远，我们讨论下前三者。

就材料性能而言，SiC是最合适作为衬底材料，晶格失配只有（当然，理论上最合适的还是GaN)。不过生长高质量、大尺寸SiC单晶难度较大，同尺寸的 SiC衬底价格为蓝宝石衬底的几十倍。

就材料价格而言，Si的优势最大。单晶硅材料生长技术成熟度高, 容易获得低成本、大尺寸 (6—12英寸)、高质量的衬底。低廉的价格让硅对其他衬底材料有压倒性优势。不过，就材料性能上，Si是三者中最不适合作为衬底材料的。Si单晶与GaN存在很大的晶格失配 (16.9%) 和 热失配 (57%)，这在三种材料中是最高的。为此，Si衬底上生长出与其他材料质量相当的GaN 外延层，需要更多的生长步骤与更复杂的工艺，成本也随之上升。

所以，SiC和Si在性能和价格上有点是两个极端，而蓝宝石综合性能高。蓝宝石与GaN也有很大的晶格失配（13.9%）和热失配（30%），比SiC高，比Si低。蓝宝石的价格也相对较低，使用熔体法技术生长, 工艺更成熟, 可获得较低成本、较大尺寸、高质量的单晶, 适合产业化发展。综合来看，目前蓝宝石是GaN基LED最合适的衬底材料。较大尺寸、低成本、高质量蓝宝石衬底已实现大规模工业化生产, 在今后一段时间, 蓝宝石恐怕仍将是LED行业的主流衬底材料。

总的来说，三种材料各有千秋。蓝宝石应用最广，成本较低，不过导电性差、热导率低；单晶硅衬底尺寸最大、成本最低，但先天巨大的晶格失配与热失配；碳化硅性能优越，但衬底本身的制备技术拉后腿。

因此，最终鹿死谁手，尤未可知。

但对于中国来说，Si衬底路线可能具有材料之外的意义。虽然目前LED 衬底材料主要以蓝宝石衬底材料为主，SiC衬底材料次之。但蓝宝石衬底的生产技术已被日本日亚公司垄断，SiC衬底被美国 CREE 公司垄断。而Si衬底材料生产技术属于中国原创。

因此，国家863专家组对硅基LED项目作出的评价是这样的：“改变了目前日本日亚公司垄断蓝宝石衬底和美国CREE公司垄断碳化硅衬底LED照明芯片技术的局面，形成了蓝宝石、碳化硅、硅衬底半导体照明技术方案三足鼎立的局面。”

材料人网电子电工材料学习小组杨杨供稿，材料牛编辑整理。