第三代半导体材料和器件

团队负责人:王新强

职务/职称

◆ 松山湖材料实验室第三代半导体材料和器件团队负责人
◆ 北京大学物理学院教授
◆ 北京大学东莞光电研究院院长
◆ 人工微结构和介观物理国家重点实验室副主任

研究方向

长期从事宽禁带半导体材料、物理与器件研究,在氮化物半导体外延及其发光电子器件方面取得了一系列创新成果,目前在松山湖材料实验室主要聚焦于AlGaN基深紫外LED和AlN陶瓷基板的研究。

主要成果/荣誉

◆ 基金委国家杰出青年基金获得者
◆ 教育部长江特聘教授
◆ 科技部中青年科技创新领军人才
◆ 担任国家重点研究计划项目负责人,承担国家“863”计划重大项目等多项课题
◆ 荣获2018年度国家发明二等奖(排名第三)
◆ 发表SCI论文170余篇,SCI引用逾3000次
◆ 在国内外学术会议上做邀请报告30余次
◆ 申请/获得发明专利12项

团队成员

团队现有成员9人,包括高级职称研究人员3人、博士学位人员4人(其中3人具有海外研究背景)、硕士学位工程师3人(在业内知名企业具有多年晶圆流片与封装经验),人才结构涵盖了理论研究、材料生长与器件设计组装各个层面,为团队课题研究和项目进行提供了有力保障。

王新强:团队负责人

王维昀:高级工程师

袁冶:副研究员

康俊杰:博士后

罗巍:博士后

李永德:工程师

王后锦:工程师

唐波:高级技工

张紫珊:行政助理

团队简介

团队以研发AlGaN基大功率紫外LED为导向,涵盖了从上游薄膜材料外延、中游芯片设计制备、到下游器件模组封装等全部产业链结构,目标产品将在照明、杀菌、医疗、印刷、生化检测、高密度的信息储存和保密通讯等领域具有重大应用价值。团队将构建外延片生长及表征系统、紫外LED芯片制备系统、AlN陶瓷基板及封装应用系统与应用级产品测试开发系统等四大板块,着力于解决紫外半导体器件的外延、芯片及模组等产业化关键技术问题,形成自主知识产权,最终实现紫外LED芯片和模组的产业化。

 

研究方向一:深紫外LED

1、项目简介

本项目以发展大功率UVC波段(200-280nm)深紫外LED发光器件为目标,以高质量的衬底材料为基础,依托专用的 MOCVD 外延生长设备,优化材料生长和掺杂技术,优化器件结构和芯片制备工艺,开发面向消毒杀菌领域的深紫外 LED芯片。采用集成化设计,通过研究光源模组的系统散热、配光设计和封装技术,开展高功率密度的深紫外LED集成光源模组的开发和研制,形成产业化产品,开发包括消毒杀菌在内的多种应用模式。

2、潜在市场

深紫外LED全球市场的年增长率是41%,估计将从2018年的2.42亿美元提升至2023年的13.39亿美元,2020年新冠疫情的爆发加速了深紫外杀菌消毒产品的市场增长。目前深紫外LED的成本为0.1美元/毫瓦,采用国产高温MOCVD设备之后,本项目成功将现有的深紫外LED的成本将降低46%,预计5年内产生经济效应为5000万元。

3、研究方向

(1)AlN衬底制备

开展蓝宝石上高质量AlN衬底的制备工艺研究,通过图形化衬底(NPSS)、高温退火等工艺的调整,减小AlN衬底的位错密度,开发低翘曲大尺寸的高质量AlN衬底,为下一步的AlGaN基UVC-LED外延生长提供基础。目前团队已成功开发基于2英寸纳米图案化蓝宝石衬底及平片蓝宝石的高质量单晶AlN衬底。

 

AlN/NPSS衬底
AlN /NPSS的形貌表征
AlN/flat sapphire的位错表征

 

(2)AlGaN基UVC-LED外延生长技术研究

开展高内量子效率UVC-LED外延生长技术的研究,通过量子阱设计、超晶格设计、极化掺杂等手段,提高量子阱的载流子注入效率和辐射复合效率,减少漏电流,从而提高内量子效率。目前外延片涵盖的波长有275nm、265nm、254nm,其中275nm外延片已达到2-3mW@20mA,波长均匀性良好,半波宽12nm左右。

 

MOCVD设备
外延片测试图
外延片PL图

 

(3)UVC-LED芯片和集成模组开发

开展UVC-LED倒装芯片和集成光源模组的制备工艺开发,通过欧姆接触层材料设计和器件结构设计降低开启电压,提高出光效率;通过集成化电路设计、散热设计及无机封装技术,研制可靠稳定的高功率密度UCV-LED集成光源模组,并开发多种应用场景。开发的UVC-LED集成光源在出光面的辐照度达100 mW/cm2以上,5 s内即可实现对金黄色葡萄球菌99.99%的杀灭效果,已通过第三方检测验证。

UVC-LED芯片
UVC-LED COB模组
高功率密度UVC-LED集成光源

 

研究方向二:AlN陶瓷基板

1、项目简介

针对高产热的大功率光电子器件,团队通过开展高导热、高绝缘AlN陶瓷基底封装材料研究,通过与传统无机材料封装相结合,从器件层面提高深紫外LED器件的散热能力,降低封装材料与器件的的老化速率,推动大功率UVC-LED的产业化;同时,进一步开发AlN陶瓷基板在其他大功率器件中的应用。

2、潜在市场

本项目开发的大功率紫外LED氮化铝陶瓷线路板,是目前高速增长深紫外LED的重要基础组件。我国是LED封装大国,但是在重要的氮化铝陶瓷线路板领域却非常薄弱。2018年全球陶瓷基板市场规模为70-80亿元,其中台湾企业市场占有率为80%以上,大陆地区市场占有率仅有约10%。但目前大陆地区是全球市场增长最快的地区,年增长率超过30%,极具发展潜力。

 

3、研究方向

团队针对高产热UVC-LED器件封装的需求,开发高导热、低热膨胀,全无机的封装基材及器件结构。研发内容涉及:

(1) 实现高导热AlN陶瓷表面金属电极的沉积,通过修饰陶瓷表面的形貌及溅射镀膜工艺的优化,提升AlN表面的浸润性和金属膜层结合力。

(2) 研究高深径比陶瓷通孔电镀工艺,实现封装基板的垂直电导互联。

(3)开发适合无机封装的围坝及出光透镜结构,通过材料及结构的优化,降低各部件间热膨胀失配,提升器件的可靠性。

(4)开发UVC-LED集成模组,通过优化器件整体的散热通道、器件光输出效率,实现超大光功率输出。目前已开发具有陶瓷围坝结构的无机封装基板,大功率照明封装基板及集成UVC-LED氮化铝封装基板等一系列产品。

 

陶瓷围坝结构无机封装基板
集成UVC-LED氮化铝封装基板

 

成果转移转化情况

1、知识产权

已申请发明专利8项,实用新型2项,发表SCI论文3篇。

2、已开发产品

目前已完成2种AlN衬底、3种波长的UVC-LED外延片、1种UVC-LED集成光源及其应用场景、3种高导热AlN陶瓷基板(并可定制)的开发。

3、项目支持

团队迄今为止共承担国家、省市各级项目四项,经费总额逾1900万元。

4、产业化

团队以全员参股的形式成立合伙公司“松材管理咨询(东莞)企业(有限合伙)”。公司业务范围为企业管理咨询服务、销售、半导体材料和器件、陶瓷封装材料、器件的技术转化和技术服务。团队成立产业化公司中紫半导体科技(东莞)有限公司,专注于深紫外LED上下游相关产品的研发、生产与销售任务。