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氮化镓照明材料研究态势分析

2017-08-29    

澳门威尼斯人网址报道

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导语: 采用文献计量方法对SCIE文献数据库中1990~2016年与氮化镓(GaN)照明领域相关的科研产出进行分析,得到国内外在该领域的研究现状及趋势。研究发现,发达国家在该领域的整体科研实力明显强于发展中国家,美国在多项统计指标中均占据主导地位。

导读

       采用文献计量方法对SCIE文献数据库中1990~2016年与氮化镓(GaN)照明领域相关的科研产出进行分析,得到国内外在该领域的研究现状及趋势。研究发现,发达国家在该领域的整体科研实力明显强于发展中国家,美国在多项统计指标中均占据主导地位。利用VOSviewer软件对文献内容进行深入挖掘,得到目前国内外在该领域的研究热点、主要产出国家/地区及机构的合作网络,以及该领域主要论文的引文情况。通过对论文数、总被引数、h-index因子、ESI高被引论文数、高产机构和期刊等6项指标值进行标准化计算,对比了我国与领先国家/地区在GaN照明领域的科研综合竞争力。


引言

       20世纪90年初期,日本Nichia公司的Nakamura等科学家成功研制出可商业化的同质结及双异质结GaN基蓝光LED,并因此而获得2014年诺贝尔物理学奖。该项成果彻底革新了光源技术,完善了LED红、蓝、绿三元发光色,使得更明亮节能白光照明成为可能。由于GaN基LED具有寿命长、低能耗等特点,在可见光照明领域具有明显的竞争优势,因此,GaN照明市场也是被定位为第三代半导体材料成功产业化的首个突破口。

目前,GaN照明领域的研究已逐渐趋向成熟,研究热点逐渐由技术驱动转为应用驱动,主要集中在如何提高光电转化效率、增强发光品质及与其它学科领域相互融合等方面。全球各主要市场大国都加强该领域的研究,竞争格局也正在调整变化,原有的美、日、欧领先,韩国、中国追赶的局面将发生改变。因此,系统描述该领域的全球科研特征对我国调整研究方向,实现从“跟跑”到“并领跑”的弯道超车具有一定意义。采用文献计量分析作为预测及分析学科发展现状、趋势的重要方法,对SCIE数据库中该领域的科研产出进行深入分析,以在一定层次上揭示目前该领域的全球研究发展趋势,为相关政府部门和科研机构对该领域的重点学科布局及研究策略制定提供信息参考。

 

数据来源和方法

       论文研究的论文来源于美国科技信息研究所的ISIWeb of Knowledge平台中的SCIE数据库。分析论文的检索主要结合了TS主题检索(检索范围包括文章标题、摘要和关键词)和TI标题检索获得。使用标题检索的作用是清洗掉研究内容为其他半导体照明材料,但在摘要中提及GaN而被检索到的噪音文献。检索的时间范围为1990~2016年,语言为English,文献类型为Article、Letter和Review,检索时间为2017年4月15日,共检索得到10977篇论文。其中,中国大陆的统计文献包括了中国香港和中国澳门,中国台湾地区的文献则单独统计。

       首先通过ISI Web of Science自带的统计分析功能,并利用Thomson Data Analyzer(TDA)、MicrosoftExcel、Origin8.0等软件工具对检索到的论文进行数据统计及分析,以此得到该研究领域的研究现状,包括论文发表趋势、高产期刊、ESI高被引论文、主要国家及机构等。其次,通过VOSviewer软件对文献内容进行深入挖掘,得到目前国内外在该领域的研究热点、主要产出国家/地区及机构的合作网络,以及该领域主要论文的引文情况。最后,通过对主要国家的6项统计指标进行标准化计算,得到该领域的全球区域竞争力分布等信息。

 

结果与讨论

3.1 全球论文总体概述

       1990~2016年间SCIE数据库共收录了10977篇GaN材料应用在可见光照明领域的研究论文,其年度发文趋势如图1所示。

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图1 1990~2016年全球GaN照明材料领域论文的年变化趋势(基于SCIE数据库)

       由图1可知,全球在1995年之前收录的GaN照明领域论文比较少,直到1996年,全球发文数才首次超过100篇(108篇),表明该领域在1995年之前仍处于探索的阶段。随着美国和日本等发达国家取得技术上的突破,全球逐渐加大了对该领域的研究力度,1996以来的20年论文整体上呈现稳定上升趋势。全球在2013年发表的论文数达到最高值879篇,而在接下来几年稍微下降,基本保持在约800篇。表明GaN照明领域的研究热度在经历近20年的迅速增长后,近几年逐渐趋向于平缓。

 

3.2 全球论文期刊分布

       全球收录GaN照明材料的基础研究论文超过200篇的期刊如表1所示。其中,高产期刊中有五个来自美国,各有一个来自荷兰、日本和德国。

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表1 GaN照明领域的高产期刊

 

3.3 ESI高被引论文

       GaN照明领域近10年内发表的被引次数排在该领域全球前1%的论文89篇。图2列出了ESI高被引论文3篇以上的国家/地区详情。美国以33篇位于全球首位,而中国和日本分别以9篇和7篇分列二、三位。表2给出了该领域被引数超过350次、具有代表性的高被引论文。主要的高被引论文集中在该领域的发展综述及器件效率变化的机理性研究。虽然我国大陆高被引论文的数量排在第二,但并没有产生具有代表性的高被引论文,被引数较多的代表性论文主要来自美国、英国和韩国。

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图2 GaN照明材料领域ESI高被引论文不低于3篇的国家/地区

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表2 GaN照明领域具有代表性的ESI高被引论文

 

3.4 全球主要产出国家

       以国家/地区为关键检索词对收录的10977篇论文进行检索统计,共有17个国家/地区的发文数超过100篇(图3)。其中,我国大陆的论文发表总数排名世界第二(1902篇),占世界发表论文总数的17.33%。发表论文最多的国家是美国,共发表了2622篇论文,占论文总数的23.89%。

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图3 1990~2016年GaN照明材料领域发文超过100篇的国家/地区

 

       图4对比了排名前六位国家/地区在1990~2016年之间的年发文数变化趋势。1995年前该领域的发文数都比较少,此时全球在该领域仍处于探索过程。1996年以后,美国、日本和德国在该领域率先取得突破,发文数快速发展。美国在2009年之前一直表现出明显优势,2011年后,中国大陆由于政府加强了政策支持和科研资金的投入,在该领域得到快速发展,年发文数迅速增长,2011年首次超过美国后一直保持全球领先的地位。

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图4 1990~2016年主要国家GaN照明材料领域发文数的年变化趋势

 

       中国大陆论文发表总数位于全球第二,但论文被引用总数及h-index因子在全球六个主要论文产出国家中均排在最后。表明我国的论文发表总数虽然较之前有很大进步,但整体质量仍有待提高。美国在这两个指标遥遥领先于其他国家。另外,日本虽然论文发表总数仅排在全球第五,但其论文被引总数和h-index因子均位于全球第二位,表明其研究内容被引用较多,并具有前沿性,一定程度上反映了该领域的研究发展趋势。美国和日本表现出明显的基础研究优势也为这两个国家在该领域产业界领先全球提供了扎实的技术支撑。

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表3 1990~2016年发文量超过100篇的国家

 

3.5 国内外主要机构分布

       从图5中可以看出,全球共有16家机构在GaN照明领域发文数大于200篇。美国、中国台湾、韩国各占据了4家,表现出比较强的整体科研实力。中国大陆虽仅有中国科学院一家机构进入排名,但其以发表572篇论文位于全球首位。

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图5 全球发文量大于200篇的核心机构

 

       中国大陆12家机构在GaN照明领域发文数超过50篇,进入全球100强(表4)。中国科学院系统研究所众多,论文数居首位,北京大学和南京大学分别以发表175篇和100篇论文排在国内第二、三位,位于全球前50强。

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表4 国内主要机构发文数

 

3.6 研究热点

       图6所示的全球及我国大陆在该领域的研究热点。圆环的大小代表了主题关键词出现的频率多少,圆环与圆环之间距离的远近代表主题关键词之间关联性的强弱程度。

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图6 全球(a)和我国大陆(b)在GaN照明领域研究热点聚类图

 

       通过对GaN照明领域文献的高频关键词进行聚类分析,对比国内外在该领域的研究热点,如表5所示。其中,晶体外延生长方法优化以及器件发光效率优化是国内外在该领域共同重点关注的研究热点。其中,晶体纳米形貌的可控生长及器件效率衰减的机理研究也是我国大陆科学家们重点关注的研究热点方向,而全世界范围则更加关注量子阱蓝光和绿光LED的场致发光效率研究。该结果表明我国大陆在该领域的研究现状仍处于追赶地位,GaN晶体的制备仍是研究重点,而国外主流发达国家的研究重点则更侧重于器件效率的提升。另外,利用VOSviewer软件对高频关键词出现的平均时间进行统计分析,得到器件发光效率优化的高频关键词平均出现时间要晚于其他研究热点的高频关键词,表明该研究方向是GaN照明领域目前重要的发展趋势。

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表5 全球及我国主要研究热点及高频关键词

 

3.7 全球主要国家/地区及机构合作网络

       图7为采用VOSviewer软件的Co-authorship功能分析GaN照明领域该领域发文量超过100篇的主要国家/地区及机构的合作网络图。各个分析原点的大小及距离代表了分析本体的发文量多少及其之间的合作紧密度。表6给出了该领域主要产出区域及机构的主要合作聚类情况。中国大陆与中国台湾、新加波及加拿大合作比较紧密,而欧洲各主要产出国家如德国、英国和西班牙等因为地域相近因素原因而合作相对紧密。同时,美国由于在该领域技术处于领先地位,其与其他国家/地区均保持一定合作关系,位于整个合作网络的中间,但与日本、韩国、印度、瑞典及俄罗斯的合作相对更加紧密些。

       从图7还可以看出:(1)我国高产机构(中国科学院与北京大学)和欧洲主要高产机构合作更为紧密;(2)中国台湾地区的高产机构之间开展了比较密切的合作;(3)美国、日本韩国及俄罗斯等国家的高产机构交流相对比较多。

       需要说明的是,该领域一些高产机构如美国的国防部、能源部及韩国三星等可能因为涉密等原因与其他机构的合作并不密切,因此并未被软件统计到合作网络中。

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图7全球GaN照明领域发文数超过100篇的主要国家/地区(a)及机构(b)合作网络图

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表6 全球主要国家/地区及机构合作情况

 

3.8 全球主要论文的引文分析

       图8为全球GaN主要论文引文情况。该领域的发展主要有以下几个特征:

       (1)日本科学家Nakamura最早开启该领域的研究,在1991年发表了首次实现GaN在LED领域应用的论文。随后,Strite发表了综述文章,系统总结了几种氮化物AN(A=Ga、Al、In)及其合金的晶体生长制备、晶体结构及光电子性质,由此开启全球在该领域的广泛研究;

       (2)20世纪90年代的代表性论文主要研究内容是通过优化材料生长方法来提高器件效率,表明该时期全球科学家主要关注GaN晶体生长方法的探索及优化。而到了21世纪,代表性论文的内容主要关注影响GaN发光效率的深层次机理研究,表明此时科学家的关注重点已经由材料的生长转向器件性能优化;

       (3)日本、美国及欧盟等发达国家和地区目前强大的产业实力是早期技术壁垒设置及长期技术积累而形成的,这也是目前我国在该领域落后于他们的重要原因之一。

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图8 全球GaN主要论文引文情况

3.9 地区竞争力分析

       表7筛选了论文数、总被引数、h-index因子、ESI高被引论文数、高产机构数(TOP50)和高产期刊数(TOP50)6个指标来评价国家/地区在该领域的科研综合竞争力。

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表7 第三代半导体GaN照明领域的区域科研综合竞争力分析

       通过标准分统计方法计算出各个国家/地区在各项指标上的标准分,并通过相加各项子指标的得分得到各个国家/地区的科研综合竞争力。每个国家的各指标标准分计算公式如下:

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       其中,Aij 代表第i个国家在第j个指标的标准分,xij代表第i个国家在第j个指标的数值,xj代表所有国家在第j个指标的平均值,T代表国家总数,Ai代表第i个国家的综合得分。

       通过对比各主要国家在GaN照明领域的科研水平,可以得到以下几个特点:

       (1)美国在该领域的科研水平处于绝对领先地位,在统计的6项指标均位于全球领先地位,并表现出较为明显的优势;

       (2)日本虽然论文发表数仅排在全球第五,但其它5项指标均表现出强大实力,综合竞争力仅次于美国排在第二。且日本论文的总被引数及h-index因子均远高于论文发表数更多的韩国、中国大陆和中国台湾,表明日本在该领域的研究成果受到科学家们更多的关注,在一定程度上代表了该领域的研究热点。

       (3)其余四个国家在该领域的科研水平各有侧重点,但也都有需待提高的方面。中国大陆虽然在发文数和ESI高被引论文数排在全球第二,表明在该领域具备了一定的科研规模和实力,但论文总被引数和h-index因子均落后其它领先国家/地区,说明中国大陆目前产生能引起其他科学家关注的原始创新性的研究成果仍然较少。

 

结论

       (1)全球GaN照明领域自20世纪90年代中后期开始进入快速发展阶段,1997年至今在整体上呈现出快速稳定的增长趋势。其中,发达国家在该领域的整体实力明显强于发展中国家,美国占据主导地位,在多项指标如论文数、总被引数、高产期刊和高产机构等均领先全球,具有明显的优势。

       我国大陆在1990~2016年之间在该领域发表的研究论文总数位于全球第二,并在2011~2016年每年论文发表数稳居世界第一位,在其它各项指标方面也不断拉近与领先国家的差距。这个现象表明在国家近几年的政策和资金大力支持下,我国在该领域的基础研究取得了显著进步。

       (2)GaN照明领域国内外的研究前沿主要集中在晶体外延生长及器件效率优化等方向。我国大陆目前更侧重于GaN晶体的制备,而国外主流发达国家则更侧重于器件效率的优化,表明我国在该领域仍处于追赶地位。

我国大陆地区、台湾地区主要与欧盟合作相对紧密,而美国、日本及韩国等行业强国合作比较多。该领域主要论文产出主要集中在日本、美国及欧盟等发达国家和地区,表明这些国家和地区在该领域研究具有长期的技术积累,从而形成目前强大的产业实力。

       (3)虽然我国大陆目前在该领域已具备了一定的科研规模和实力,但论文总被引数及h-index因子要远小于其他领先国家/地区,说明我国大陆在该领域具有原创性的研究成果相对较少。这可能是我国大陆地区在该领域整体科研水平落后于其他国家/地区的重要因素之一。

 

实习编辑:杨志钊


来源:世界科技研究与发展

标签:氮化镓  GaN  LED    

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