某省工程实验室资金申报材料

PAGEIII--某省工程实验室建设项目资金申请报告项目名称：大功率半导体激光器工程实验室目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章项目摘要 11.1项目名称 11.2申报单位概况 11.3项目建设的必要性 11.4主要功能与任务 31.5运行和管理机制 31.6项目建设内容和规模 41.7项目总投资、投资构成及资金筹措方案 41.8经济效益与社会效益 4第二章项目建设的依据、背景和意义 62.1建设依据 62.2项目建设的背景 72.3项目建设的必要性 112.4项目建设的意义 12第三章技术发展与应用前景分析 143.1国内外技术状况与发展趋势预测分析 143.2技术发展的比较 22第四章申报单位概况和建设条件 344.1申报单位及主要发起单位概况 344.2拟工程化、产业化的主要科技成果及其水平 384.3与工程实验室建设相关的现有基础条件 41第五章主要方向、任务与目标 495.1省级工程实验室的主要发展方向 495.2省级工程实验室的主要功能与任务 555.3省级工程实验室拟进行技术突破的方向 565.4省级工程实验室的近期和中期目标 57第六章组织机构、管理与运行机制 606.1建设项目法人单位概况 606.2省级工程实验室的机构设置与职责 616.3主要技术带头人、管理人员概况及技术团队情况 656.4运行和管理机制 69第七章建设方案 747.1建设规模 747.2建设内容 747.4建设地点 79第八章节能及环境影响 838.1节能分析 838.2环境影响评价 93第九章投资估算及资金筹措方案 989.1项目总投资估算 989.2资金筹措 101第十章项目经济和社会效益分析 10310.1初步经济效益分析 10310.2项目社会效益分析 105附件：1、某省建设项目招标方案2、某省半导体照明工程实验室地方配套资金证明3、申报单位合作协议书4、项目法人营业执照5、企业近两年财务审计报告6、项目自有资金证明7、建设项目土地证8、建设工程规划许可证9、建设项目环境影响审批意见10、ISO9001质量管理体系认证证书11、ISO14001环境管理体系认证证书12、《某省人民政府办公厅关于支持重点半导体照明产业龙头企业发展有关问题的通知》（鲁政办字[2008]9号）13、某省科技进步一等奖证书,济南市科技进步一等奖和三等奖14、某省高新技术企业证书15、企业荣誉、专利、标准等其他材料16、对申报项目资金申请报告内容和附属文件真实性声明PAGE81--第一章项目摘要1.1项目名称某省大功率半导体激光器工程实验室1.2申报单位概况本项目由某某光电子有限公司（简称“某某”）申报建设。某某光电子有限公司是国内最早利用MOCVD设备进行光电子产品研发的企业之一。公司注册资本5000万元，拥有员工300多人，是某省首批认定的高新技术企业。公司现占地43亩，建筑面积5000平方米，拥有世界最大的光电子器件生产型MOCVD设备6台（套），配套300多台（套）管芯生产设备和测试设备，是国内最大的发光二极管和激光二极管生产企业。在科研方面通过和某大学的合作，成为国内产学研合作的典范。公司顺利通过了ISO9000和ISO14001等认证，建立了某省光电子工程技术研究中心、省级企业技术中心等研发平台，为技术提升奠定了基础。公司现承担国家863项目3项、工信部项目2项、省级重点课题12项，完成申报专利48项，产品鉴定成果9项，产品拥有自主知识产权。项目实施将依靠原有的研究基础建立“某省大功率半导体激光器工程实验室”，通过项目实施将建成国内领先、国际先进的大功率半导体激光器工程实验室，实现关键技术国产化，带动我国半导体激光器产业的发展。1.3项目建设的必要性半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种。因此在各个领域得到了广泛的应用。1）军事方面的应用：Ⅰ）激光引信；Ⅱ）激光制导；Ⅲ）激光测距；Ⅳ）激光雷达，高功率半导体激光器已用于激光雷达系统；Ⅴ）激光模拟；Ⅵ）深海光通等。2）在产业和技术方面的应用：Ⅰ）光纤通信；Ⅱ）光盘存取；Ⅲ）光谱分析；Ⅳ）光信息处理；Ⅴ）激光微细加工；Ⅵ）激光报警器；Ⅶ）激光机打印机；Ⅷ）激光条码扫描器；Ⅸ）抽运固体激光器；Ⅹ）高清晰度激光电视等。3）在医疗和生命科学研究方面的应用：Ⅰ）激光手术治疗；Ⅱ）激光动力学治疗；Ⅲ）生命科学研究等。4）民用方面的应用：Ⅰ）激光指示；Ⅱ）激光玩具等。尽管半导体激光器已经比较成熟，得到了广泛的应用，但大功率半导体激光器性能还有待进一步提高，如激光性能受温度影响大，光束的发散角较大，激光器的寿命与可靠性须进一步提高。国内半导体激光器技术与日本、美国等先进国家相比有较大差距，特别是近几年发展起来的蓝光激光器更是如此。因此组建一个有实力、高水平的工程实验室非常必要。半导体激光器作为该领域中的核心部件，国防经济建设需求明显增长，但是美国把大功率半导体激光器列为对华出口限制，严重影响我国该技术的发展，迫切需要解决半导体激光器用LD芯片的国产化，为我国的半导体激光产业提供强有力的支持。为充分发挥我省半导体激光器产业的技术和产业优势，某省政府和各级部门对公司及我省的光电子产业非常重视，副省长王军民曾亲自召开某省光电子产业战略研讨会，各届省委书记、省长和其他领导经常到公司视察指导工作，因而建立此工程实验室，既是企业自身发展的需要、也是我省半导体产业发展的要求，且具备现实可行性。某某建立某省大功率半导体激光器工程实验室，可迅速提高技术水平和产品档次，促进壮大产业规模，对于加快推进某省半导体激光器产业的优势地位、促进产业结构调整、形成国内领先的半导体激光器产业基地具有重要意义。某省大功率半导体激光器工程实验室组建后，将集产、学、研各方面的优势，搭建一个广阔的平台，为我省光电子产业的发展提供强大的智力支持和技术支持。同时，还可以整合省内外相关资源，服务于我省光电子产业及与其相关的近100家企业。促进光电子产业链的技术升级，加快产业链的延长、壮大，为在我省建立国家级的光谷夯实基础。1.4主要功能与任务某省大功率半导体激光器工程实验室的主要目标是开发大功率、高可靠性激光器产品，对芯片制备、封装的核心技术攻关和关键工艺进行试验研究；关键装备及其关键材料的研制；半导体激光器产业化关键技术开发；产业结构优化升级的战略性、前瞻性技术研发；以及研究半导体激光器产业技术标准、培养工程技术创新人才、促进国家半导体激光器研制重大专项成果的应用，提高产业自主创新能力和核心竞争力，突破产业结构调整和重点产业发展中的关键技术装备制约，强化对国家、省重大战略任务、重点工程的技术支撑和保障,为行业提供技术服务。本实验室主要任务：1、高功率半导体激光器外延结构设计、芯片结构设计、腔面膜结构设计、功率衰减原理研究。2、利用MOCVD设备进行高功率半导体激光器外延材料生长技术理论研究。3、高功率半导体激光器芯片制作技术理论研究。4、高功率半导体激光器封装技术理论研究。5、高功率半导体激光器列阵、模组设计及可靠性研究。同时将建立完善的LD外延材料生长、芯片制备、器件封装、可靠性验证的标准化综合研究平台；依托某大学的技术和人才优势，为我省的半导体照明产业培养一批高技术人才；通过共享机制带动某省半导体激光器产业链的发展，加快产学研用的整合力度，快速发展我省的激光产业。1.5运行和管理机制某省大功率半导体激光器工程实验室依托某某光电子有限公司进行建设管理的实体性研究机构。某省大功率半导体激光器工程实验室将实行分级管理体制，由某省发展和改革委员会宏观管理与指导、济南市发展和改革委员会行政主管，日常运行和管理实行理事会领导下的实验室主任负责制和专家委员会咨询评审制。实验室的职能部门由外延研发部、芯片研发部、封装研发部、应用研发部、测试研发部、办公室及财务室等7个部门组成。并采用创新的项目管理、灵活的用人机制、严谨的财务管理和细致的知识产权保护工作。1.6项目建设内容和规模本项目依托某某光电子有限公司现有的超净厂房和批量化生产线，扩大实验室1000平方米，对现有厂房进行改造，达到1万级净化厂房的标准；在公司现有研发设备（设备原值2131万元）的基础上，实验室将加大投入，购置新型解理机、自动光刻机以及配套HEMT等研发设备，实现产品多元化、高端化。项目建设地点为某省济南市某某光电子有限公司原厂区内；建设期自2010年7月至2011年12月，共计18个月。1.7项目总投资、投资构成及资金筹措方案本项目总投资为1000万元，其中设备购置费用650万元，关键原材料材料等其他费用200万元，预备费用150万元。资金筹措方案为某某公司投入900万元，申请补助资金100万元。1.8经济效益与社会效益本项目如能成功实施，实验室年资金来源收入为2256万元，运营总成本费用为1348元，年盈余资金908万元。盈余资金可用来进一步扩大实验室的工程研发规模和扩大工程研发产品品种，提高装备水平。公司扩产将会实现增加100人以上的就业岗位，解决部分劳动力就业问题。目前公司半导体激光器产品的销售在5000万元以上，按照半导体器件产业上游产品产值1元可以拉动应用产品产值100元计算，公司半导体激光器可拉动50亿元的产业，从而取得较好的经济效益。本项目的成功实施，将强化某省激光器产业的创新能力，提高企业自主开发和利用社会资源能力，推动企业成为技术开发与创新的主体，增强企业的核心竞争力和发展后劲，形成有利于激光器产业发展的环境和氛围，带动我省激光器产业的快速发展。目前国内LD市场大部分被国外产品占据，国内LD厂家只有某等少数厂家，其中某某半导体激光器占主导地位，年产LD外延片近万片，LD管芯2亿粒，器件50万只，产品销往国内外，LD产品市场占有率居国内第一位。某某光电子有限公司半导体激光器的产业化将会大大降低半导体激光器的价格，带动激光器应用市场的发展和更加广泛的应用。同时已经逐步替代进口产品，大大提高我国半导体激光器的地位，实现基础半导体激光器的国产化。目前，被广泛研究和应用的半导体激光器主要有635nm、650nm、780nm、808nm、980nm和1.3-1.5μm的半导体激光器。由于半导体激光二极管具有体积小、效率高、功耗低、固体化、易于调制等优点，广泛用于通信、光储存、DVD、VCD、目标指示、医疗、军事等领域。不同波长、不同功率的LD的研究和应用大幅度提高了社会生产力，促进了人类进步。

第二章项目建设的依据、背景和意义2.1建设依据（1）《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020年）明确将“新一代激光显示技术”列为重点领域和优先主题，将把半导体激光器作为“863”计划的一个重大科技专项，通过对相关核心技术的突破，拉动国内LD产业和照明工业的跨越式发展。（2）国家信息产业科技发展“十一五”规划和2020年中长期规划纲要在第十条光电子技术中明确重点发展激光器和激光技术的研究。国家《产业结构调整指导目录(2005年本)》列出了国家鼓励发展的二十六大类，其中包括半导体激光器系列。（3）《某省半导体照明产业发展规划（2008-2010）》指出“加强产学研联合，建立企业研发中心，提高产业创新能力。充分利用我省高校以及全国高校和科研院所的技术人才优势，积极吸引省外、国外大企业、高等院校和科研机构在我省半导体照明企业设立实验室、研究机构和技术转化基地，推动产学研紧密结合，提高研发能力。对晶体材料、碳化硅衬底材料等比较成熟的技术，加大政府投入，创新体制机制，吸引社会资金，尽快使其产业化，发挥出应有效益”。（4）《某省人民政府办公厅转发省发展改革委信息产业厅关于加快半导体照明产业发展的意见的通知》（鲁政办发〔2008〕3号）指出“加强创新体系建设，鼓励企业建立健全技术研发中心，提升研发能力和核心技术；加强产、学、研结合，联合国内外知名院校和科研机构，建设工程中心和工程实验室，开展重大技术攻关和促进成果产业化工作；建立重大科技攻关、产业化和引进消化吸收项目库，保证重点产业有稳定的技术开发支撑”。（5）《某省人民政府办公厅关于支持重点半导体照明产业龙头企业发展有关问题的通知》（鲁政办字〔2008〕9号）确定对某大学、浪潮集团某某光电子有限公司和某某光电子有限公司半导体照明产业的创新能力和发展壮大，给予重点扶持。《通知》明确了发展目标：一是完善和建设“四大创新平台”。即山大重点实验室；达到国家级企业标准的省光电子工程技术研究中心；建设国家级半导体照明实验室；建设国家级企业技术中心。二是研发半导体照明“五大关键技术”。即重点研发SiC和GaN等单晶材料技术；衬底技术和单晶生产设备；新SiC衬底工业生产技术；蓝光外延生长及管芯制作技术；大功率白光制造与封装生产技术。三是实施“六大建设项目”。即建成国家光电子企业技术进步和产业升级项目、建设红黄外延和芯片扩大产能项目、蓝绿光外延和芯片规模化生产项目、SiC衬底规模生产项目、大功率激光器项目、大功率白光制造与封装生产技术项目。采取强强联合，建立新型产学研合作模式。建立某大学和浪潮某全面合作关系，通过技术合作、共同投资建设创新平台和资本纽带等多种方式，形成紧密的产、学、研利益共同体。（6）《某省电子信息产业调整振兴规划》（2009-2011年）实施十项重点专项工程之一“光电子、半导体照明及光伏电池产业链专项。加快完善LED/LD产业链，支持发展SiC衬底及LED、LD外延片、各类LED、LD管芯制作及封装生产，重点支持SiC衬底材料产业化，LED外延片由目前红、黄外延片生长，扩展到红、黄、蓝、绿各种颜色外延片生长。支持下游LED、LD半导体照明灯产业和LED背光源、显示屏等产业发展。积极支持某浪潮某光电子有限公司半导体照明用外延片、管芯、器件及应用产品等项目的建设和实施”。（7）《某省工程实验室管理暂行办法》。（8）《某省发展和改革委员会关于组织申报2010年省级工程实验室项目的通知》。（9）国家、某省其他有关法规、政策及规划。2.2项目建设的背景以激光器为核心的激光技术，在科学研究、工业制造、国防建设、生物医疗、信息产业、资源环境以及文化娱乐等领域内获得了广泛的重要应用。具有高清晰度、高色饱和度、大色域等优势的激光显示(电视)，成为继数字显示技术后的第四代核心显示技术。目前此技术正处于大规模产业化的前夜，开展产业化技术攻关已成为现阶段竞争的焦点。（一）半导体激光二极管激光二极管（简称LD），本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。半导体激光二极管具有体积小、效率高、功耗低、固体化、易于调制等优点，广泛用于通信、光储存、DVD、VCD、目标指示、医疗、军事等领域。不同波长、不同功率的LD的研究和应用大幅度提高了社会生产力，促进了人类进步。（二）发展半导体激光器意义1960年，世界上第一台激光器诞生。激光是一项根本性的突破。激光技术的发展，极大地带动了相关科学研究的蓬勃发展，带来了遍及社会和经济生活各个领域的广泛用途。四十年来，激光广泛地应用于国防、通讯、医疗、工业应用、出版业、科学和工程研究、环境监测、精密测量、服务业和家庭娱乐等各个领域。像蒸汽机、机械工具、电气、晶体管、计算机这些根本性的创新一样，激光是一项通用技术，它提供了可以在大量实际领域应用的技术能力，对科学技术和经济社会的发展都具有极其深远的影响。大功率半导体激光器以及大功率半导体激光器泵浦在激光加工、激光测距、激光存储、激光显示和照明、激光医疗等民用领域和激光打靶、激光制导、激光夜视、激光武器等军事领域均得到广泛应用，其应用拥有巨大的发展前景。激光是100％单色光，激光显示采用红、绿、蓝三色光分别调制，彩色效果非常理想。它的室温寿命一般可达10万小时，经高温老化试验推算出的室温寿命可达百万小时，因此它是一种长寿命高可靠性的产品。激光电视图像质量好、屏幕尺寸控制灵活、重量轻、使用寿命长，而且价格便宜，比起现在的电视机特别是大屏幕显示拥有巨大的优势。激光显示主要包括三个部分，激光器、光学引擎、投影屏。其中大功率激光器是整个产业链的核心。我国在光学引擎、投影屏发展方面都比较迅速，急需大功率半导体激光器的产业化来推进激光显示技术的应用。据国际权威机构预测，二十一世纪将进入以LD为代表的新型激光显示时代。以激光器为核心的激光技术，在科学研究、工业制造、国防建设、生物医疗、信息产业、资源环境以及文化娱乐等领域内获得了广泛的重要应用。具有高清晰度、高色饱和度、大色域等优势的激光显示(电视)，成为继数字显示技术后的第四代核心显示技术。目前此技术正处于大规模产业化的前夜，开展产业化技术攻关已成为现阶段竞争的焦点。日本、韩国在液晶显示和等离子显示领域已经取得领先的技术和市场地位，如今又将发展方向锁定在激光显示技术。而美国和欧洲由于在平板显示领域落后于日本和韩国，也正积极瞄准新一代显示技术——激光显示。为了抓住显示技术更新换代所带来的巨大商机，各国都在加大对激光显示技术的研发和产业化力度。我国对激光显示技术的关注也早已开始，激光显示专利涉及到激光器外延材料激光显示系统的主要关键环节和核心技术，特别在共性核心技术领域——大色域激光光源、匀场消相干等取得了完整的自主创新知识产权，处于领先地位。有专家表示，我国可以自主发展大色域激光显示技术而不受制于国外专利。在世界技术竞争异常激烈的现在进行半导体激光器件的研究将具有划时代的现实意义，半导体实验室的建立将进一步促进我国半导体行业的发展，提升全省乃至全国的半导体技术实力。（三）世界产业格局半导体激光器在技术上具有基础性研究与应用开发同步的特点，在产业上具有产业链长，多学科、多领域交叉融合的特点，同时半导体激光器有着巨大的市场和发展潜力，目前已经形成了美、日、德为先进技术代表，韩国、中国台湾、中国大陆奋起直追的竞争格局。世界激光器市场可以划分为三大区域：美国（包括北美）占55％，欧洲占22％，日本及太平洋地区占23％。美国、日本、德国三个国家激光产业的发展代表了当今世界激光产业发展的趋势。日本在光电子技术方面占首位，在激光医疗及激光检测方面，美国占首位，而在激光材料加工设备方面则是德国占首位。用于激光加工、军事、医疗等领域的大功率的固体激光器，德国、美国具有非常大的优势，配套的大功率半导体激光器生产几乎被几个大公司垄断。如美国的JDSU、COHERENT，德国的OSRAM、西门子等。作为“下一代”显示技术竞争的焦点，SONY、松下、日立、东芝、三菱、EPSON、三星等知名国际显示巨头，纷纷加大在激光显示领域的研发力度。自2005年至今先后有多家公司推出激光电视概念样机。在2005年日本爱知世博会上，索尼公司推出的超大屏幕激光电影也吸引了众多眼球。日本、美国、韩国、德国等发达国家加强激光显示技术研发，相继推出了激光电视、激光投影仪、激光数码影院等产品，并谋求激光显示产业化发展，抢占全球下一代显示市场。世界LD产业初步形成美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的全球市场与产业格局，并呈现出以美、日、德为产业代表，韩国、中国台湾、中国大陆奋起直追的竞争格局。2.3项目建设的必要性中国拥有巨大的激光器工业和激光器市场。2006年我国实现LD产值为0.9亿元，2008年应用市场规模达到2.6亿元，预计到2011年国内LD产业的规模将超过4.8亿元。我国是世界半导体激光器生产第一大国，但主要是中低端产品，大而不强。发展半导体激光器产业的上中游产业，提升产业国际竞争力意义重大。“十五”期间我国半导体激光器研发开始急起直追，国家863计划新材料技术领域在“十一五”设立了“全固态激光器及其应用技术”重大项目，努力建立一个“国家半导体激光器公共研发平台”，以实现产学研的有机结合，提升我国半导体激光器产业核心竞争力。我国的半导体激光器产业的产业结构还不是很合理。产业的中上游企业数量较少，产量和技术水平都要落后于欧美日等地区的企业；国内封装和应用产品产业的发展迅速，成为全世界LD应用的重要基地之一。外延和芯片产业是整个半导体激光器产业发展的最终支持力量，也是技术含量和投资密度都比较大的产业，需要国家的大力支持和政策引导，突破核心技术的研发、形成自主知识产权，应对半导体激光器国际巨头的专利大棒。近几年国内有一定基础的LD外延和芯片制造厂家纷纷投资进行融资扩产，抢占产业化的先机，关键研究技术有待于进一步突破。某某光电子有限公司目前的产品和技术水平在国内光电子产业界已具有较大影响。公司现有半导体激光二极管（LD）产品在国内处于领先地位，是国内唯一一家从外延材料、管芯制作、器件及应用产品生产线的企业，LD管芯产销量稳居全国第一。在研发的推动下，公司生产的产品由低功率不断向高功率迈进，适应了市场需求，逐步占领了高端市场。公司有着多年的LD生产经验，在LD外延、芯片等核心技术研发、生产工艺研究方面具备较强的实力。建设大功率半导体激光器工程实验室，迅速提高LD技术水平和产品档次，对于促进我国半导体激光器产业发展、推动我省半导体激光器产业基地建设是十分必要的。为此，某省发展和改革委员会下发《某省发展和改革委员会关于组织申报2010年省级工程实验室项目的通知》，决定在电子信息、生物技术、新材料、先进制造、太阳能利用等领域开展省级工程实验室的建设工作，以发挥各方优势，构建长效的产学研合作机制，提高产业自主创新能力和核心竞争力，突破产业结构调整和重点产业发展中的关键技术装备制约，强化对国家、省重大战略任务、重点工程的技术支撑和保障，依托企业、科研院所或高校等设立的研究开发实体。某某光电子有限公司依托现有的基础，开展某省大功率半导体激光器工程实验室建设，以国际半导体激光器产业发展需要为出发点，以提高企业自主创新能力和核心竞争力为宗旨，围绕国家半导体激光器产业升级和重大战略任务、重点工程对半导体激光器技术进步的迫切需求，通过产学研相结合的半导体照明制造技术研究开发实体运行，为突破我国半导体激光器及相关产业发展中的工程化关键技术及装备制约发挥至关重要的作用。2.4项目建设的意义某省大功率半导体激光器工程实验室是以我国半导体激光产业发展需要为出发点，以提高产业自主创新能力和核心竞争力为宗旨，强化国家、省重大战略任务、重点工程的技术支撑和保障，依托于企业、高校等设立的研究开发实体进行重点攻关。其项目建设的意义如下：2.4.1是提升我国半导体激光产业核心竞争力的有效手段通过组建大功率半导体激光器工程实验室，强化我国半导体激光器产业技术原始创新能力，突破激光二极管外延材料、芯片关键工艺技术，有利于打破日、美、德等发达国家对我国半导体激光器产业的技术壁垒，降低对国外芯片的依赖，有效提升我国半导体激光产业核心竞争能力。2.4.2是制定标准规范行业发展的有效手段之一某省大功率半导体激光器工程实验室的建设，将建立半导体激光器标准平台。半导体激光器属于新兴行业，发展速度之快使得国家标准显得相对滞后，我国的产业发展出现了百花争鸣的现象，不利于产业的发展。通过本实验室建设，公司将发挥作为半导体行业标准工作组成员单位的优势，加强行业标准的制定建设，结束技术无序竞争造成的混乱。2.4.3是强化企业技术创新主体地位的重要途经建设大功率半导体激光器工程实验室有利于引导企业加大研究开发设施建设和研发活动的投入，有效整合产学研资源，以企业发展、市场需求为导向，以提升企业核心竞争力为目标，开展LD外延材料研发，芯片研发和产业链整合，促进企业成为科技投入和技术创新活动的主体。2.4.4是建设半导体激光器产业基地的重要支撑目前国内LD市场大部分被国外产品占据，国内LD厂家只有某等少数厂家，其中某某光电子有限公司半导体激光器占主导地位，年产LD外延片近万片，LD管芯2亿粒，器件50万只，产品销往国内外，LD产品市场占有率居国内第一位。某某“大功率半导体激光器工程实验室”的建设将为某建设半导体激光器产业基地奠定强有力的技术支持。

第三章技术发展与应用前景分析3.1国内外技术状况与发展趋势预测分析半导体激光器在技术上具有基础性研究与应用开发同步的特点，在产业上具有产业链长，多学科、多领域交叉融合的特点；同时半导体激光器有着巨大的市场和发展潜力，目前已经形成了美、日、德为先进技术代表，韩国、中国台湾、中国大陆奋起直追的竞争格局。3.1.1国内外技术现状国外技术现状从二十世纪八十年代开始，随着半导体激光器外延生长技术和量子阱结构半导体激光器技术的迅速发展，大功率半导体激光器在输出功率和可靠性方面都取得了巨大进步，到2000年，单条器件输出功率已超过100W，功率转换效率约为40%-60%，寿命长达10000h。为了提高激光器的效率，美国国防高技术研究计划署（DARPA）于2003年启动了超高效率半导体激光器光源项目（superhighefficiencydiodesource,SHEDS）,其最终目标是将半导体激光器的功率转换提升到80%以上。在此项目推动下，最近几年大功率半导体激光器的研究工作获得了显著的进步，功率转换效率在逐步提高，同其他国家相差逐渐缩小。近年来以美国Wisconsin大学为代表的研究人员采用MOCVD外延方法成功获得了GaAs衬底上高质量的InGaAsP/AlGaAs激光材料，在805nm激射波长下其100um单条器件的连续功率输出达8.8W。同时研制出了0.97um无铝宽波导分别限制异质结多量子阱(BW-SCH-QW)结构激光器，准连续波（QCW）输出功率达到14.3W(条宽为100um,腔长为2mm)。同时，激光器的光电转换效率也得到不断的提高。JDSU公司采用非对称波导技术减少自由载流子吸收，808nm激光器效率达到60%，980nm激光器的效率提高到72.7％。NLight公司设计了多种解决方案，已将LD总效率从50%提高到65%，Osram等公司的激光器产品的转换效率均超过60％。国外多家公司有808nm单管激光器产品，有CS封装结构、快轴压缩结构、光纤耦合输出等多种产品。CS封装的单管激光器输出功率最高到达了8W。世界激光器市场可以划分为三大区域：美国（包括北美）占55％，欧洲占22％，日本及太平洋地区占23％。美国、日本、德国三个国家激光产业的发展代表了当今世界激光产业发展的趋势。日本在光电子技术方面占首位,在激光医疗及激光检测方面，美国占首位，而在激光材料加工设备方面则是德国占首位。用于激光加工、军事、医疗等领域的大功率的固体激光器，德国、美国具有非常大的优势，配套的大功率半导体激光器生产几乎被几个大公司垄断。如美国的JDSU、COHERENT，德国的OSRAM、西门子等。当前激光显示(电视)正处于大规模产业化的前夜，开展产业化技术攻关已成为现阶段竞争的焦点。日本、韩国在液晶显示和等离子显示领域已经取得领先的技术和市场地位，如今又将下一代显示技术的发展方向锁定在激光显示技术。而美国和欧洲由于在平板显示领域落后于日本和韩国，正积极瞄准新一代显示技术——激光显示。为了抓住显示技术更新换代所带来的巨大商机，各国都在加大对激光显示技术的研发和产业化力度。作为“下一代”显示技术竞争的焦点，SONY、松下、日立、东芝、三菱、EPSON、三星等知名国际显示巨头，纷纷加大在激光显示领域的研发力度。自2005年至今先后有多家公司推出激光电视概念样机。在2005年日本爱知世博会上，索尼公司推出的超大屏幕激光电影也吸引了众多眼球。日本、美国、韩国、德国等发达国家加强激光显示技术研发，相继推出了激光电视、激光投影仪、激光数码影院等产品，并谋求激光显示产业化发展，抢占全球下一代显示市场。国内技术现状相对而言，国内从事大功率半导体激光器研究和应用方面起步比较晚，但通过近几年的发展取得了很大的进步。研究单位主要集中的高等院校和研究所，主要有中科院半导体所、长春光机所、长春理工大学、清华大学、某大学、中电集团13所等；在产业化方面主要有某瑞森某光电子有限公司、武汉凌云科技有限责任公司、中科院长春光机所等，其中除某瑞森某等少数企业进行外延材料生长外其他企业都以封装和应用为主。我国激光产业的总销售额平均年增长率达到2.3倍，远远超过国外的增长速度。其中光存储销售额最大，其次是检测，第三位是激光医疗设备，第四位是激光加工设备。我国激光产业具有很好的发展前景和很大的潜力，正作为新的经济增长点而引起各界的高度重视。在外延结构设计方面国内研究机构普遍采用了应变量子阱结构，同时采用无铝有源区提高端面光学灾变损伤的功率密度。在产业化方面某瑞森某光电子有限公司成功实现了无铝有源区设计、AlGaInP作为限制层等技术，大大提高了光学灾变损伤光功率密度和腔面抗氧化性。国内研究机构积极申报知识产权，具不完全统计在中国注册的激光器相关的专利有530多项，其中国内企业申请和持有的专利数在200项左右。在国内持有的200项专利中，涉及大功率激光器的有120多项。项目申请承担单位拥有总数近70项：其中长春光机所拥有45项、长春理工大学拥有15项、某瑞森某光电子有限公司拥有7项。同时承担单位拥有20多项有关大功率激光器的科研成果，包括“无铝量子阱大功率激光器关键技术及应用”、“大功率808nm无铝应变量子阱激光器技术研究”、“Zn扩散窗口工艺制备大功率300mW/650nm半导体激光器”等关键技术。承担单位所拥有的专利和成果覆盖了大功率半导体激光器外延材料、芯片制作、器件封装散热技术、光束整形和光纤耦合技术、光学系统设计等多个方面，可实现产品的自主知识产权。我国对激光显示技术的关注也早已开始，上世纪80年代末，激光显示技术就已进入我国“863”计划。2002年，我国在该技术领域实现重大突破，推出全固态激光显示原理样机；2003年，我国研制出60英寸背投激光显示机；2005年，推出84英寸背投激光显示机，最近又研制成功140英寸大屏幕激光显示样机。这些科研成果标志着我国进入国际激光彩色显示技术开发的先进行列。激光显示专利涉及到激光器外延材料激光显示系统的主要关键环节和核心技术，特别在共性核心技术领域——大色域激光光源、匀场消相干等取得了完整的自主创新知识产权，总数在50项左右，处于国际领先地位。因此，有专家表示，我国可以自主发展大色域激光显示技术而不受制于国外专利。“中国激光电视的研发是与世界同步的，在一些领域甚至是领先世界”，邢廷文告诉记者。“九五”期间，中科院研发成功了功率大、体积小的全固态激光器，中科院成都光电所与物理所等单位希望能将激光器用于新领域，经过多次论证，认为能研发激光电视。2002年6月，国家863正式批准该项目并开始研发。一些重要激光产品尚未形成规模生产，产业化单位效益较低。国内在大功率半导体激光器的产业方面相比上述发达国家有较大的差距，类似于这种单管集成的光纤耦合模块国内有几家机构处于起步阶段，但是少有产品和相关文献。为加快发展我国的激光显示产业，保持激光显示的领先地位，急需解决大功率半导体激光器材料的产业化进程。目前我国在LD外延材料、芯片制造、器件封装等方面均已掌握自主知识产权的单元技术，且部分核心技术具有原创性，初步形成了从上游材料、芯片制备，中游器件封装及下游集成应用的比较完整的研发与产业体系。3.1.2技术发展趋势1、外延结构采用无铝量子阱技术、宽波导结构和Mg掺杂技术采用无铝有源区提高端面光学灾变损伤光功率密度。端面光学灾变损伤是限制器件功率密度的最主要因素之一。与含铝AlGaAs材料相比,无铝材料具有更大的端面光学灾变损伤密度和更高的可靠性。因此,采用无铝有源区可以提高器件的输出功率,并增加器件的使用寿命。2、采用新型芯片结构设计和镀膜技术开展新型结构激光器芯片的制作工艺，主要包括：载流子反射镜结构设计、真空解理技术、腔面膜设计和优化、器件封装技术、新型焊料试验、采用ECR镀膜技术等。提高器件光学膜的损伤阈值等提高器件的可靠性、降低成本。薄膜应力是半导体薄膜的重要特性，在生长过程中应力的变化可能导致薄膜内部连结失效、分层以及断裂，对器件的性能和可靠性有着重要的影响。研究实时检测装置改善成膜质量，利用Stoney方程、光的干涉理论分析光点图像位移信息和光强振荡数据，得到薄膜表面多个点的应力、薄膜的厚度和生长率等量。4、器件封装、集成结构设计和可靠性激光器制备、封装中会引入应力，应力的存在引起激光器退化和失效。产生应力的因素有封装热沉、焊接工艺、光学膜成膜工艺和机械化学抛光工艺。（1）低失配热沉封装热沉材料的膨胀系数与GaAs材料体系相差较大时，会使芯片承受较大的应力，从而降低芯片寿命。铜热沉封装时焊接界面的应力会导致芯片变形，出现“smile”现象，严重影响激光器寿命。研究无失配材料AlN或低失配材料如铜钨取代常用的铜作为热沉材料，减少“smile”现象发生，提高激光器可靠性和寿命。（2）低退化焊接工艺半导体材料与欧姆接触金属之间接触不良，界面状态不稳定是欧姆接触退化的主要原因。采用AuSn焊料取代In焊料，在焊接过程中管芯移位小，产生很小的应力，能够承受随后在相对低的温度下的后续组装工艺。金锡焊料具有浸润良好、强度高、导热和导电性能优良、无需助焊剂等特点。（3）选择阈值、寿命、波长、发散角、功率一致的激光器进行封装和集成采用自动焊接设备进行封装，提高成品率和一致性。通过已有的高功率半导体激光器的测试技术平台，完成关键工艺的过程检测和最终检测，保证系统稳定性。采用高效散热热沉，控制热沉温度、保证系统良好的散热。优化单元技术包括散热、焊接、光束整形等保证分系统及整个面阵的可靠性。（4）红移效应抑制方法热特性是半导体激光器的关键特性。由于温度升高必然带来半导体激光器阈值电流增加、发射波长红移，造成模式的不稳定，同时还增加了内部缺陷，对器件的寿命有严重影响。在电路设计上，将恒电流和恒功率有机的集成于一体，通过相应的开关调节，改变控制功能。对于恒电流，主要采用负反馈设计，应用电流串联负反馈原理取得恒流效果；对于恒功率的设计主要利用PD（光检测器）能够检测发光功率，并将其转换成电信号的特性。对于恒温控制系统也利用负反馈设计。解决了在宽温条件下半导体激光器输出功率不稳定问题，同时还抑制了波长漂移等问题。3.1.3应用领域发展趋势半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种。因此在各个领域得到了广泛的应用。1、军事方面的应用：Ⅰ）激光引信；Ⅱ）激光制导；Ⅲ）激光测距；Ⅳ）激光雷达，高功率半导体激光器已用于激光雷达系统；Ⅴ）激光模拟；Ⅵ）深海光通等。2、在产业和技术方面的应用：Ⅰ）光纤通信；Ⅱ）光盘存取；Ⅲ）光谱分析；Ⅳ）光信息处理；Ⅴ）激光微细加工；Ⅵ）激光报警器；Ⅶ）激光机打印机；Ⅷ）激光条码扫描器；Ⅸ）抽运固体激光器；Ⅹ）高清晰度激光电视等。3、在医疗和生命科学研究方面的应用：Ⅰ）激光手术治疗；Ⅱ）激光动力学治疗；Ⅲ）生命科学研究等。4、民用方面的应用：Ⅰ）激光指示；Ⅱ）激光玩具等。目前我国在激光器方面具有一定规模的企业约600家，各种大大小小企业已超过1000家。上游外延、芯片，中游封装，下游应用各环节均已进入量产阶段，中国拥有巨大的激光器工业和激光器市场。2006年我国实现LD产值为100亿元，2008年应用市场规模达到340亿元，预计到2011年国内LD产业的规模将超过800亿元，成为全球重要的激光器生产基地。随着国内半导体激光器技术日渐成熟和产业规模迅速扩大，我国台湾地区及国外企业开始大量向我国大陆转移，我国大陆地区已经成为半导体激光器产业发展最快、潜力最大的地区。从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器。另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器在20世纪90年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到600W。如果从激光波段的被扩展的角度来看，先是红外半导体激光器，接着是670nm红光半导体激光器大量进人应用，接着，波长为650nm,635nm的问世，蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功，MW量级的紫光乃至紫外光半导体激光器，也在加紧研制中。另外，还有高功率无铝激光器(从半导体激光器中除去铝，以获得更高输出功率，更长寿命和更低造价的管子)、中红外半导体激光器和量子级联激光器等等。单管的大功率半导体激光器输出功率有限,现在较为成熟的808nm波长单管产品输出功率最大不过三、五瓦,因此,人们把半导体激光器作成列阵来增大输出功率。激光二极管列阵分为相干列阵和不相干列阵。相干列阵的最大优点是高亮度,但是很难实现高功率输出,而非相干列阵可以作到高功率输出。列阵的关键是封装,而封装的最重要的参数是封装密度和热阻,这两个量是互相矛盾的。所以在封装研究过程中,提高封装密度的同时,也要减少器件热阻。降低热阻的方法是使用微通道制冷。对于高占空比准连续和连续器件,微通道制冷是必须的。就比较成熟的808nm大功率半导体激光器列阵而言,产品功率已经达到上千瓦,由数十个bar构成,每个bar由数十个单管构成。现在出现了模块化,即将激光晶体和列阵集成在一起。国内中科院半导体研究所研制的808nm大功率列阵已经形成产品。激光电视是21世纪的电视机市场中最强的竞争者，目前国际上有德国LDT公司、韩国三星公司、日本索尼公司和日本三菱公司开展了激光电视的研究，日本索尼公司开发的激光电视主要采用“直扫描”和“线扫描”方式，德国LDT公司、韩国三星公司则采用“点扫描”方式。而日本三菱公司已于近期推出其采用三基色激光光源的DLP背投电视，支持最新的色彩空间国际标准，去掉了色轮之后，单片DMD芯片也有了上佳的色彩表现。这款激光DLP背投电视与以往DLP背投最大的不同是取消了灯泡作为光源，以及分色用的色轮，转而采用三个半导体激光器发出三基色光源，通过光纤传到给DMD芯片，由于在光纤内部的多次反射，降低了干涉条纹。同时，为了实现图像的还原，三菱还开发了图像调制系统NCM（自然色彩矩阵），将视频信号中的亮度型号与色彩信号分离，更将色彩信号分解为12组单独色相进行控制，以得到最佳的色彩还原效果。因此，这台激光背投的色彩还原能力得到了IEC国际电工委员会的认可，认为其能够达到色彩空间的宽广色域，比目前采用的广播电视信号色彩空间提升1.8倍。作为激光电视阵营中最重要的厂商--三菱，其却已经克服了很多困难，新一代的LaserVue已经正式登场，这种大尺寸（65英寸和75英寸）激光电视的成本相当便宜，先期上市的65英寸版本售价为6999美元，只相当于人民币46000元左右。国内从事大功率半导体激光器研究和开发的单位有中科院半导体所、长春光机所、长春光机学院、电子科技集团第13研究所、某大学、某瑞森某光电子有限公司等。在激光产业化方面与德国、日本、美国等西方发达国家则有很大差距，一些重要激光产品尚未形成规模生产，效益较低。国内使用的半导体激光器大部分还是依赖进口，还是没有摆脱核心技术受制于人的被动局面，尤其美国把大功率半导体激光器列为对华出口限制，随着我国经济建设需求明显增长，走自主研制，突破国外技术封锁的道路成为必然。长春新产业光电技术有限公司生产的全固态激光器，95%的产品销往世界上50多个国家和地区。北京华北莱茵光电技术有限公司现正实施国家发改委二极管泵浦固体激光器（DPSSL）高技术产业化示范工程项目，致力于研究、开发、销售以二极管泵浦激光器及整机为核心的系列产品，西安华科光电有限公司也是生产绿色固态激光器的专业生产厂家。这些企业都迫切地寻求半导体激光器的本地化和供货渠道的多元化，解决核心部件进口问题，缩短供货周期，建立便捷直通的交流和协商通道。这些厂家配套的大功率半导体激光器月需求量超过了一万只以上。大功率半导体激光器的市场需求在明显增长，其不仅用于激光加工、医疗设备、光信息存储，还可用来作指示、装饰和工具类应用，市场成长迅猛，具有非常好的前景。同时利用我省某大学晶体材料国家重点实验室的研发生产优势，形成一条龙的激光产品产业链。本项目也正好是激光显示产业链中的关键一环，此产业链的形成，将会大幅度的提升相关产业的发展。我国对激光显示技术的关注也早已开始，上世纪80年代末，激光显示技术就已进入我国“863”计划。2002年，我国在该技术领域实现重大突破，推出全固态激光显示原理样机；2003年，我国研制出60英寸背投激光显示机；2005年，推出84英寸背投激光显示机，最近又研制成功140英寸大屏幕激光显示样机。这些科研成果标志着我国进入国际激光彩色显示技术开发的先进行列。激光显示专利涉及到激光器外延材料激光显示系统的主要关键环节和核心技术，特别在共性核心技术领域——大色域激光光源、匀场消相干等取得了完整的自主创新知识产权，总数在50项左右，处于国际领先地位。因此，有专家表示，我国可以自主发展大色域激光显示技术而不受制于国外专利。3.2技术发展的比较3.2.1本单位技术路线1、高功率半导体激光器外延结构设计、芯片结构设计、腔面膜结构设计、老化机理研究。①高功率半导体激光器外延结构设计A、635nmLD采用AlGaInP/GaInP应变多量子阱结构设计，由于635nmLD的电子能量更高，导致电子更易溢出，多量子阱设计可提高复合效率，使激光器的斜率效率提高；808nmLD采用压应变GaInP/InGaAsP单量子阱结构设计。采用压应变使得重空穴位于轻空穴之上，C-HH跃迁占据优势。由于压应变能带结构的重空穴带在平行结平面方向具有更小的有效质量，导致态密度减小，因此要比晶格匹配的量子阱结构更容易实现受激发射的粒子数反转条件。为提高激光器的输出功率对波导层采用了大光腔非对称结构，降低单位面积上的光功率密度，增大光学灾变输出功率，非对称的设计使光场向吸收小的N型偏移从而提高激光器性能；利用镁掺杂代替锌掺杂，采用P型高掺杂并且利用镁扩散度小的特点形成陡峭的掺杂分布，并把掺杂精确控制在波导层附近。光偏振特性的优化：量子效应决定了量子阱激光器的输出光具有偏振特性，光的偏振特性对激光晶体的泵浦应用带来了一定的影响，因此需要分析计算量子阱结构对光偏振特性的影响，设计和优化量子阱的结构、应变类型等。B、非对称波导结构的采用波导层的优化：大功率量子阱激光器波导结构的设计需要考虑的因素很多，它对量子阱激光器的阈值电流密度、光束特性和端面光功率密度都有很大的影响，为了得到最佳的器件特性，必须综合考虑各个因素，以获得最佳的结构。激光器有源区外光限制层的光吸收正比于材料的掺杂浓度，但是降低掺杂浓度减少光吸收的同时会引起串联电阻的增大，导致电压升高，这些都不利于激光器的高效率工作。而N型半导体材料中电子对光的吸收小于P型材料中空穴对光的吸收的特性，使光场分布偏离P型区成为可能。我们设计了具有非对称波导分布的新型结构。该结构采用不对称的波导层厚度和非对称的限制层材料，使得光场向N型区偏离，减少了P型限制层中的光吸收，有利于提高激光器的光电转换效率。C、周期性超晶格结构的应用为了得到较好的激光光束，我们设计了具有多层周期性分布的超晶格结构。此结构采用了具有不同Al组分的AlGaInP材料组成一个单元，设计不同的单元厚度和周期，该超晶格结构呈现周期性变化的折射率分布，使激光器的光场可以在此结构中震荡，从而改善了激光器的光场分布，有利于降低光束发散角改善光束质量。同时，不同的折射率分布，可以对激光器的激射波长进行选择，通过合理的设计，可以实现激光激射波长的准确控制，克服半导体激光器激射波长随温度变化产生的波长“红移”现象。②芯片结构设计A、脊形波导结构设计脊形波导结构是最常用的大功率激光器结构。为了得到更好的性能，必须对脊波导的腐蚀工艺进行最优化。我们利用化学湿法腐蚀和ICP干法腐蚀相结合的工艺进行脊形波导的制作，同时利用高精度台阶仪等设备保证腐蚀深度和宽度的精确控制。同时利用liftoff工艺对脊形波导结构进行自对准工艺，能够大大改善激光器的性能和合格率。B、激光器的阈值电流、斜率效率等与其工作腔长有很大的关系，只有在最佳的腔长时，激光器才能工作在最优状态下。我们可以通过测试激射面积一定、不同腔长的激光器来确定此激射面积下的最佳腔长。C、非电流注入区的设计目前大功率激光器的应用主要受到光学灾变损伤的制约。为了提高其输出功率，可以采用非电流注入区的方法。该技术是在激光器前后腔面附近一定距离处分别引入一电流非注入区，限制电流流入端面，从而减少腔面附近的载流子浓度，降低表面复合电