1. 高亮度彩色发光二极管(LED)
在成功解决Ⅲ族氮化物的材料生长和P型化问题之后,Ⅲ族氮化物LED研究得到了迅速发展。1991年 Nichia公司成功研制出掺Mg的同质结GaN蓝光LEDs.其峰值波长为430nm,光谱半峰宽为55nm,光输出功率达到70uW,约为SiC蓝光LED的10倍,外量子效率约为0.18%,约为SiC蓝光LED的6倍。1993年 Nichia公司首先研制成功发光亮度超过lcd的高亮度InGaN/AlGaN双异质结蓝光LEDs,使用掺Zn的 InGan作为有源层,以Zn杂质作为发光中心，输出光功率高达1.5mW,外量子效率达2.7%,峰值波长为450nm,并实现了产品的商品化。采用单量子阱(SQW)结构,可以进一步提高器件的色彩纯净度和发光强度。1998年 Nichia公司又推出了高性能的紫外/黄光LEDs产品。1999年Nichia公司利用其蓝光LED和磷光技术,又推出了白光固体发光器件产品,其色温为6500K,效率达7.5 Im/w。
除 Nichia公司以外,HP,Cree等公司也相继推出了各自的高亮度蓝光LEDs产品。LEDs器件的应用领域主要在于两个方面:一是采用高亮度的LED实现各色的指示或显示,与传统的白炽灯加滤光片的方法相比,不仅响应速度快,寿命长、抗震、耐冲击,而且高效节能。如目前日本采用高亮度的红、黄、蓝LED像素灯等作为交通信号灯,其耗电量仅为原来的12%。二是把红、绿、蓝发光二极管组合起来,实现全彩色显示。目前利用超高亮度的LED已经可以制备最大亮度达500cd/m2的白色平板光源,成为新一代的照明光源,其耗电量仅相当于相同亮度的白炽灯(寿命为6-12月)的10%-20%,而其寿命为5-10年。因此,可以大胆预测,在未来的光源照明和指示领域,GaN基LED将会大有用武之地。
2. 高性能的紫外光光电探测器
最常用的光电探测器器件结构是光电导元件,利用 AlGaN材料的高效直接光学跃迁特性来工作。APA光学公司报道了采用金属有机化学汽相沉积( MOCVD)方法生长出了具有很高响应特性的AlxGal-xN合金。当x=0.06,0.46,0.55和0.61时,其相应带隙波长分别为350、270、255和250nm,这些器件的响应灵敏度为300A/W-20A/W。目前APA光学公司已经在1998年1月底推出了第一批GaN基探测器。并借助其在GaN基FET器件领域的领先技术,正在开发探测器/FET混合器件,已用于工作温度高达200-300℃的火焰传感器。
应用领域主要包括火焰传感、臭氧监测、污染监测、水银灯消毒监控、激光探测器、太空飞船的监视和识别、空间通讯、定位焊接以及引擎和燃烧室的监控等。由于GaN基材料本身固有的良好物理化学特性,必将在上述领域获得重要应用。
3. 蓝色激光二极管(LD)
1990年初, Nichia公司利用其生长的高质量材料首先实现了室温条件下的电注入GaN基蓝光LDs的脉冲工作。在1996年底采用脊波导结构实现了GaN基蓝光LDs在室温条件下的连续工作。次年,采用横向外延生长技术降低了GaN材料中的位错密度,使蓝光LDs的室温连续工作寿命超过10000h。后来他们采用ELOG衬底和在n型 AlGaN侧采用应变层超晶格结构,大大提高了器件的输出功率和寿命,制成的器件已商品化。目前 Nichia公司在GaN基蓝光LDs领域居于世界领先水平,最新进展是在30mW输出功率下室温连续工作寿命达到15000h。
由于蓝光LDs的市场潜力极大,许多大公司和研究机构都纷纷加入到开发Ⅲ族氮化物的蓝光LDs之中。这当中以HP公司、 Fujitsu公司和Cree公司的工作较有代表性,但离实用化的阶段尚远,主要问题是连续工作寿命太短。蓝绿光LD在增大信息的光存储密度、深海通信、材料加工、激光打印、大气污染监控方面有着广泛的应用。例如目前采用780nm的近红外激光,单面CD-ROM的信息纪录量约为650MB.而利用蓝色激光可将单面DVD-ROM的纪录量提高到14GB，同时信息的寻道时间将从原来的100-150ms缩短到20-40ms。这方面的工作可谓方兴未艾,进一步的工作可能会集中在进一步提高晶体质量和寻求新的激光器材料结构上。
4. 高频、高功率和高温电子器件
由于 GaN Ⅲ族氮化物半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、载流子浓度高、热导率高、物理化学性能稳定等优点,是制作高温、大功率器件的最佳材料。其次, GaInN的电子漂移速率比较高,介电常数不大,适合于制作微波器件。今后几年内,高温大功率半导体器件将是一个主攻方向,通过比较SiC,GaN和金刚石宽禁带半导体,预期GaN将是高温半导体器件最有希望和前途的材料。目前已经成功地制备出了GaN基的金属场效应晶体管( MESFET),双异质结双极晶体管(HBT),调制掺杂场效应晶体管(MODFET),高电子迁移率晶体管(HEMT)等器件。目前GaN基的FET的最高工作频率已达140GHz,fT=67GHz,跨导为260ms/mm。
GaN基的电子器件的应用领域也极为广泛,有望在航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子等方面发挥重要的作用。这方面进一步的工作是更好的优化器件设计,并且进一步研究和SiC基形成复合器件的可行性和优越性。
5. 固态冷阴极器件
Pankove等报道了用一种低功函数元素处理绝缘GaN的表面后,GaN的表面真空能级可以位于导带边缘之下.从而使得GaN导带中的任何电子都可以选逸到真空中去。这种现象叫做负电子亲和力(NEA)特性,这种NEA特性可用于固态冷阴极器件和单色能量阴极的制作。
固态冷阴极和单色能量阴极器件在真空电子学中有重要的应用前途,例如可以提高电子显微镜的分辨率。而且对低能单色电子束的偏转和亮度控制只需要很低的电压，例如其电压值只是常规的热阴极灯丝电压的万分之一。NEA电子源也特别适合于平板显示技术。所有这些方面都需要开展进一步的工作和研究。
结语
近10年来,在GaN基Ⅲ族氮化物材料研究和应用方面取得了令人鼓舞的辉煌成就。在光电子器件突破的同时,GaN高温半导体电子器件也相继开发。但是,由于大块体单晶生长难题没有解决,制约了器件的进一步研究。因此,现在应花大力气解决GaN体单晶材料的生长难题,只有解决了这个问题,才能促使GaN基材料的研究和应用进入一个新的飞跃。
另外,在一些基础性的研究工作方面,如GaN的能带结构、膜层生长动力学、表面形貌与表面再构、电子输运特性、P型掺杂杂质控制、杂质缺陷机理及相互作用等方面,虽然取得了良好进展,但仍需进一步加强研究。尽管在GaN基材料的开发和应用方面,还有诸多问题和工艺技术有待解决,但是.在现代高技术的支撑和Si基、GaAs基半导体发展的成功经验引导下,GaN基材料和器件在光电子和微电子技术领域的应用将会日益普及和深入,可以预见,GaN基材料将会以更快速度发展，其应用领域将会更加广泛。