作者：黄明明
张国义，北京大学物理学院教授，博士生导师。
高效节能、长寿命的半导体照明产品正在引领照明业的绿色变革。随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿发光二极管的问世，世界各国纷纷投入巨资推出国家级半导体照明计划。
作为国内最早研究氮化镓半导体材料的单位，北京大学物理学院宽禁带半导体研究中心肩负着我国氮化镓基激光器以及半导体照明产业化的重任。如何在现有技术和投入较之国外相对落后的条件下在半导体技术中占据一席之地，该中心教授张国义日前对记者表示，第三代半导体最终应用领域会非常广泛，目前研究的关键是找准方向、有效整合资源。
选定氮化镓半导体研究
北京大学物理学院宽禁带半导体研究中心和氮化镓打交道已有15年之久。
氮化物半导体被称为第三代半导体。第一代是锗和硅，代表性的应用领域是集成电路，引起了信息处理领域的革命；第二代是砷化镓、磷化铟为基础的III-V族化合物半导体，应用的领域是信息通信，引起了半导体激光器、光纤通信、宽带网等信息传输和存储等领域的革命；第三代以氮化镓、氮化铟、氮化铝为基础的III-V族化合物半导体制备的白光LED，主要用于半导体照明，目前正在引发照明领域的革命。
张国义介绍，发现氮化镓具有很好的半导体发光材料性能是在1943年前后。后来北大在人工微结构和介观物理国家重点实验室的支持下，选择了氮化物半导体材料，开展了一年的研究，但是该项目很难得到国家项目的支持。原因很简单，那时氮化物半导体只是从基本性能上得到认可，能否成功做出蓝光、绿光发光管还是未知数。国内对发光管材料的关注还是侧重碳化硅材料，因当时美国一家公司已用碳化硅做出了蓝光发光管，尽管发光效率很低，但算是有了成功的先例。
转机出现在1994年。日本的日亚公司用氮化镓材料做出发光管的样品。发光效率比碳化硅LED强100多倍。在此背景下，1995年中心获得国家自然科学基金支持，项目结束时获得国家自然科学基金委特优奖励。研究首次提出了一种改进的低压-MOCVD方法，在蓝宝石衬底上成功生长了氮化镓等单晶薄膜，并对其结构特性、缺陷、背景载流子浓度等电学和光学特性进行了研究，采用反应离子刻蚀和欧姆接触特性取得了较好的结果，为氮化镓基蓝光发光二极管的研究打下了坚实的基础。
市场催生产业化
“氮化物半导体很‘怪’，它的特点是市场领先于技术，技术领先于物理机制的研究，技术成熟了，不用担心没有市场。这种特点给科学家和工程技术人员提供了很大的发展空间。”张国义介绍，当时蓝光发光管和激光器已经出现了巨大的市场需求和经济效益，氮化物的研究已经成为高科技领域国际竞争的焦点之一。
有了课题和资金的支持，1997年国内第一个蓝光发光二级管被研制出来，随后多家单位主动要求合作。1999年底，在北京大学科技开发部等单位的推介下，黑龙江省大正投资集团成为这一技术产业化的东家。2000年4月，上海北大蓝光科技有限公司（现名为上海蓝光科技有限公司）成立，选址上海，注册资金7000万元人民币。现在公司规模发展到3亿多元，今年预计产值大概1.8亿元。随后，在北京大学成立了宽禁带半导体研究中心，这是国内第一个专业的宽禁带半导体研究中心。
作为实现氮化镓基蓝光发光二极管技术产业化的核心人员，张国义认为高科技产业化成功的关键因素取决于投资方和技术方能否有效地融合。一方面，投资方要深入理解高科技发展的规律，科技成果转化要有一个过程。另一方面，技术方也要明确技术成果的成熟程度，掌握课题的市场前景，并适时对技术有所创新。
“上海蓝光科技公司是国内首家从事氮化镓基蓝光外延片、芯片生产的企业，属于上游产业，技术含量高，资金投入也比较大，仅仅将技术转让出去还远远不够，关键是要建立公司的技术团队。”
目前，北大和上海蓝光科技有限公司形成了技术创新互动的良性机制。公司和北大一起建立产学研相结合的研究中心。前期的基础研究在北大完成，中试阶段在公司完成，再投入到产业化中。这既推动了北京大学方面学科的建设，也为公司提供了新的技术资源。
照明应用仅是其一
氮化镓材料的用途很广泛，目前世界各国比较看重的是照明上的应用，实际上，氮化镓基材料应用非常广泛。例如，以氮化镓材料为基础的蓝光激光器，可以广泛应用于信息存储，如蓝光DVD；深紫外探测器在国防上可以用做紫外制导和预警，同时，它可以做成深紫外的发光管、激光器，在医疗、化工等方面都有很多的应用。
“氮化镓材料将来的标志性应用成果是照明还是激光器，或是电子学器件，现在还不好说，有可能以后在照明方面的应用只是冰山一角。目前为止，照明这方面各国比较重视，发展也快，因为它的应用性更明显，比较清楚。”张国义指出，第三代半导体最后的应用领域可能会非常广泛。
自2002年4月起，北京大学先后承担国家“863”重大项目氮化镓基激光器和北京市科技计划项目氮化镓基蓝紫激光器的研制任务。针对宽禁带半导体氮化镓基激光器的难点，中心在氮化镓基激光器外延和器件结构的计算和优化设计、MOCVD外延生长和表征、器件微加工技术和谐振腔结构等方面进行探索和研究。在氮化镓基材料系量子阱、超晶格和波导结构的MOCVD生长、脊型波导激光二极管器件制备等关键性科学和技术问题方面取得一系列进展。
2004年下半年，研制出的氮化镓基激光器芯片获得氮化镓基脊形波导激光器原型器件的光泵浦受激发射，首次实现了波长为405纳米左右的受激发射，随后实现了电注入脊型波导氮化镓基激光二极管的受激发射。这一波段的激光正是用于下一代蓝光DVD光盘系统的光源。
“各国都很看重氮化镓基半导体的研究，在竞争中我们必须从中找到新的增长点，发光管会继续做，激光器要进一步完善，现在另外一个重要的研究领域就是氮化镓单晶衬底材料。”张国义指出，目前蓝宝石是氮化镓单晶衬底材料，但由于蓝宝石不导电、导热系数不好等因素，也不是最佳的选择。氮化物发展的另外一个转折点是在氮化镓衬底上的突破。
据了解，氮化镓基稀磁半导体和自旋电子学也是中心目前的研究方向之一。张国义介绍，稀磁半导体是要让材料既有半导体的性质又有铁磁的性质，利用磁性将电子旋转分为自旋向上和自旋向下两种状态。据预测，这种研究可以增加光盘的存储密度，改变计算机的存储速度、运算速度，用在发光器件上就会形成偏正光的LED。
氮化镓研究任重道远
“中国的DVD产业，由于知识产权和专利的问题，已经几乎没有什么盈利了。到蓝光DVD阶段后，能否具有核心技术，光源是关键的问题。”
据市场研究机构ABI Research预测，3年后蓝光DVD会占据光存储市场的30%左右，市场规模达到上百亿美元，而目前蓝光DVD的市场基本都是日本的。张国义指出，蓝光DVD全面占领市场可能还需要再经历3到5年时间。中心作为承担国家项目——氮化镓基激光器研究的单位，在我国研发实用化的氮化镓基短波长激光器问题上责任重大，机遇和挑战并存。
目前，中心已形成了研究氮化物半导体的优秀团队，同时也有长期的实验室工作经验的技术人员。张国义指出：“从科研上来说，经费是一个重要问题，但是在这个50多人的团队里，方向的选择特别重要。要选准有潜力和有优势的研究方向，不能随波逐流。”
从竞争的角度来看，好的方向，国内外的其他单位也都会看好，有的单位资金和设备条件更好。对此，张国义指出，尽管在资金和条件上，我们和国外的差距很大，但是应通过与国内其他相关的科研单位或者企业合作，共享设备、技术、研究力量，要尽可能地保持在这一研究领域的领先地位。
“去年，我们成立了北京大学宽禁带半导体联合研究中心，包括了北大化学院、微电子所的相关研究人员在内，这样形成的交叉学科的合作，对于加速我们的研究进度起到了巨大的推动作用。同时，我们还积极和美、英、日、韩等国家的研究单位和人员开展国际合作和交流。年轻的学生队伍也很能吃苦，并能很快进入角色。在技术水平上我们有信心保持我们的领先地位！”