中国科大微电子学院研究员孙海定：UV LED、Micro LED是氮化物光电领域的新星代表

近年来， 市场十分火热，备受关注。回首过去一年，我们共同见证了 产业的波澜迭起、挑战丛生，但亦看到了我国 的坚韧不拔、欣欣向荣。

2023年， 行业的发展前景如何？我们如何应对未知挑战？……这些都是行业非常关心的。《 》杂志特别推出——“新年展望（2023 Outlook）”采访，邀请业界专家、企业高层与大家分享他们对于这些问题的分析和看法。我们采访了中国科大微电子学院研究员、博士生导师孙海定，分享他的独到见解。

 

采访嘉宾

 

孙海定博士现任中国科大微电子学院研究员，博士生导师，IEEE Senior Member。博士毕业于美国波士顿大学，师从氮化物半导体分子束外延奠基人Theodore D. Moustakas教授。长期致力于宽禁带III族氮化物（GaN等） 材料MOCVD和MBE外延、光电器件（LED, laser, photodetector等）和电力电子功率器件（HEMTs）设计与制备研究。同时开展包括低维材料与器件（纳米线，量子点），二维/三维新型半导体异质结的材料生长、载流子输运特性、光电集成器件与系统研究。

 

△中国科大微电子学院研究员、博士生导师孙海定

 

中国科大微电子学院

2015年7月教育部批准中国科学技术大学筹建国家示范性微电子学院，2015年12月正式成立。目前由中国工程院院士，吴汉明兼任微电子学院院长。

学院借鉴国际先进经验，建立创新运行管理体制，基础研究和应用研究并重，解决微电子领域国家重大需求和学科前沿问题，力争建设成为国际一流的微电子领域高层次科技人才培养基地、微电子技术的研究开发基地和国际化交流平台。学院坚持中国科大“理实交融”办学方针，以面向新兴需求、侧重前沿创新、教育质量第一为建院宗旨。积极与研究所、国内外知名高校和企业合作，全力培养本科生、学术研究生和工程研究生，在产教融合、产学合作、协同育人方面做出示范，为微电子行业提供高端人才，5-10年内建成有国际影响力、国内一流的微电子领域本科专业和硕士/博士学位授权学科。

 

提问解答

 

CSC：在2023年，请您展望一下 行业的发展趋势？在新的一年有哪些可以预见的突破或创新？

2023 年， 技术将继续为我们带来振奋人心的技术进步和产业机遇。而且，相较于传统的硅基集成电路落后好几代国外的技术，我们国内的 技术在很多领域是跟跑，并跑甚至有几个细分领域是领跑的阶段。 行业中，最难的几个方向是设备研发，原材料研制，工艺摸索，芯片制备这四个部分，我们国内接下来的攻关和发展将继续围绕着这几个核心要点进行。一些关键材料的合成，如高质量可控的单晶衬底（氮化镓，磷化铟，砷化镓， ，氧化镓）的合成与制备值得期待。一些新型光电器件如电注入紫外激光器，VCSEL以及高效microLED的研制及其在微显示领域的应用，也将取得新的进步并进一步被市场所验证。在电力电子领域，高频，高压，可靠性高的硅基功率电子器件的研制一直是永恒的主题，但是不同材料体系，尤其是GaN基功率电子和SiC基功率电子在市场中的竞争也会愈发的激烈，如果找到合适的市场准入和切入点，并研制出高稳定性的器件和模组，是企业占领某个细分应用领域的关键。

CSC：氮化镓的消费电子应用日渐普及，未来在数据中心、工业甚至汽车应用领域是潜在的市场，我们应该做好哪些工作推动市场发展？

从GaN基功率器件技术本身来看，目前主流的技术都聚焦于横向HEMT器件，主要基于蓝宝石、硅、 三种衬底。SiC基GaN器件研发时间较长、外延质量较高，且由于GaN在工作频率上具有无可比拟的优势，所以这一技术在通信基站、数据中心等应用中优势较为明显。对于这一技术，现阶段的主要任务在于继续提高工作频率和输出功率以满足逐年增长的能效需求。

蓝宝石基GaN器件受限于衬底的尺寸、导热性、导电性等问题，在大功率密度的电力电子应用中略显劣势。目前在实验室中已诞生了一些开拓性的创新技术解决蓝宝石基GaN功率器件的问题，如无损的衬底剥离技术、原位热沉蒸镀技术等，下一步如何将这些技术在量产中实现，得到高良率的芯片，是蓝宝石基GaN能否抢占市场的关键。

硅基GaN是综合成本和性能后的电力电子市场的最优选择，这也是目前行业内布局最多、发力最猛的一项技术。得益于此，硅基GaN电力电子器件在650V以下的中低压应用中的成本优势逐渐显现。但硅基GaN电力电子器件的研发时间较晚，现阶段该技术仍存在尚未克服的外延、工艺、器件可靠性问题，包括大尺寸外延的翘曲、缺陷控制、产线中碎屑裂片问题、芯片良率有待提高、动态退化较为严重等，都在一定程度上制约了硅基GaN的产能，使得当前GaN市场仍处于导入期，对下游应用的供给不充足。

相比之下，作为GaN在电力电子市场诸多领域的竞争对手SiC基功率器件，其研发时间较长、外延质量较高，器件可靠性问题基本得到有效解决，已达到行业标准，这也使其在市场份额较大的新能源汽车领域以及1kV以上高压领域取得了初步应用。因此在未来短时间内，科研和工业界应着眼于硅基GaN中低压应用的关键根本问题，在外延和器件两大方向中的良率和可靠性方面着重发力，以性能优势巩固优势领域，抢占市场份额。当然，对1kV以上高压应用中，垂直型GaN功率器件的发展也颇有潜力，后续通过优化GaN同质衬底生长、外延结构设计和器件终端方案，GaN垂直器件也有望在耐压、输出功率等指标上达到SiC的水平，但如何解决成本和尺寸问题以求进入市场应用仍需耐心、细心和长期的研发工作。

CSC：UV-LED及Microled是氮化物光电领域产业的2大增长点，备受产业、资本关注，不过在技术、应用或市场层面，还有很多挑战，请谈谈未来UV-LED及Microled相关技术和产业化的发展趋势？

近年来，外部环境复杂，行业竞争激烈，自从固态照明LED市场渐渐形成红海趋势之后，新型LED技术和产业这两年已经逐渐发展起来了，已经具有形成新蓝海市场的势头，其中UV LED和micro LED是其中两个最耀眼的氮化物光电领域的新星代表。

UV LED是指发光波长在400nm以下的LED,根据波长又分为320nm到400nm，我们称之为UVA，280nm到320nm，称之为UVB，200nm到280nm，称之为UVC。其中UVA LED技术发展最为成熟，在工业固化和植物照明领域，UVA LED市场份额正在呈爆发式增长。UVB和UVC波段的LED主要聚焦在杀菌、消毒，医学光疗等领域的应用，其中UVB以光疗为主，UVC则主要应用于杀菌消毒领域，但是UVB和UVC LED无论是外延生长，还是工艺上做好良好的欧姆接触，封装上做好散热都还具有较大的挑战。因此还需要整个产业链，高校研究机构和企业的深度合作，共同努力，我们相信，在未来几年时间里，随着技术逐渐成熟，产品逐渐渗透，UV LED将会开启一个新的规模化增量市场。尤其是随着研发的不断投入，电光转换效率的不断提升，从2020年的3~4%以及提升至5~7%，甚至个别波段的深紫外LED（270-285nm）的电光转换效率已经突破10%（量产型）。但是我们也认识到，如果要将深紫外LED的电光转换效率达到或者接近目前蓝光LED的效率（60%及以上），还有非常长的一段路要走，这也是为什么目前从国家层面（重点研发计划等国家级项目）和地方政府都在加大研发投入，以期最终实现节能环保廉价的固态紫外光源。除了技术层面，紫外或深紫外LED的市场挑战也不小。目前紫外，尤其是深紫外的主要应用领域还是在消费电子产品及水和空气净化杀菌等。三年前，由于疫情的爆发，同时也自然引爆了对紫外LED的市场需求，紫外LED进入大家的日常生活中，被广泛应用于消费或者家用电子产品中。然后，随着后疫情时代的到来，消费端对紫外LED的需求也趋于饱和，同时也随着很多家紫外LED创业公司的不断涌现，在其电光转换效率没有完全突破的情况下，LED芯片本身价格的竞争则会趋于白热化，市场竞争也会很激烈。

Micro LED是以微米量级的LED作为发光像素单元的新型显示技术，与传统的显示技术，比如LCD还有OLED,micro LED在分辨率、亮度、能耗、使用寿命、响应速度等等方面都具有明显的优势。目前micro LED在技术上还具有很多难点，比如说，巨量转移难点，随着芯片尺寸的减小，目前很多公司和研究机构已经从50微米做到2到3微米，像素点的数量会以数量级增加，还是相当有挑战的；另外除了巨量转移问题，在前端和后端工艺都还有问题，比如说，晶圆的良率问题，像素点显示驱动问题，坏点监测返修问题等等。但是这种挑战中也蕴含了机遇，micro LED超高清显示技术的市场前景，尤其是在高清显示，AR和VR微显示领域的应用是非常值得期待的。