登录注册   忘记密码

基于文献计量的氮化镓照明材料研究态势分析

本论文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。通过对GaN照明领域科研活动基本特征的分析,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。最后,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,并分析了我国在该领域的科研特点,提出相关发展建议。


1  引言

半导体材料是指导电能力介于导体及绝缘体之间、可用来制作半导体器件和集成电路的一类电子材料,目前已发展到第三代。第一代半导体材料以硅(Si)为代表,主要应用在数据计算领域,但硅基芯片传输速度较慢和功能单一的不足难以满足目前科技快速发展的技术需求;第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表,主要应用在通讯领域,但其制备成本昂贵、不耐高温和不宜制备高功率器件,也难以满足新兴电子科技如新能源汽车和机器人领域发展的需求;第三代半导体材料是以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表,因其具有宽的禁带宽度(大于2.2eV)、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率以及更高的抗辐射能力,因而更加适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,被广泛应用于可见光照明及显示、高频微波通信、太阳能光电和电力电子等领域。


由于前两代半导体材料自身物理化学特性的限制已难以满足科技快速发展的技术需求,因此第三代半导体材料凭借其优异性能被业界视为是突破前两代半导体应用技术瓶颈的首选,从而受到学术界和企业界的广泛关注。在上世纪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。其中,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,已被广泛应用于国内外科技发展趋势的分析评价及科技资助管理的决策参考。通过相关论文检索,可以发现国际上没有关于GaN照明领域的科学计量研究。因此,本论文对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,并提出相关建议,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。


2 数据来源和方法

本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,检索式为TS=("GaN"OR "gallium nitride") and TS=("LED" or "light-emittingdiode" or "light emitting" or "visible light" or"luminescence" or "lighting") not (TI=("InGaN" or"ZnO film" or ZnO or "zinc oxide" or "magnesiumoxide" or "MgO" or "NiO" or "nickel oxide" OR"CuO" or "copper oxide" or "AlN" or"aluminium nitride")not TI=("GaN" or "galliumnitride"))。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。


本论文首先通过ISI webof 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。


3  结果与分析

3.1 全球论文总体概述

通过检索,可以得到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。

640.webp (10).jpg

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,共发表108篇论文。这表明该领域在1995年之前仍处于探索的阶段。而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,发文数在1997年突增到258篇,并在接下来的二十年整体上呈现稳定上升的趋势。其中,全球在2013年发表的论文数达到最高值,共879篇论文,而在接下来几年稍微下降,维持在800篇左右。这表明GaN照明领域的研究热度在经历近二十年的迅速增长后,一直到近几年才逐渐趋向于平缓。


3.2 全球论文期刊分布

第三代半导体GaN照明材料的基础研究主要涉及到物理学、晶体学、光电学及材料学等学科领域,因此,该领域的高产期刊也主要来自这些学科的专业期刊。全球收录该领域论文超过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。

640.webp (11).jpg

表1 GaN照明领域的高产期刊


3.3 ESI高被引论文

640.webp (12).jpg

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

通过统计SCIE数据库中的ESI高被引论文,得到GaN照明领域近十年内发表的被引次数排在该领域全球前1%的论文共有89篇。图2给出了ESI高被引论文不低于3篇的国家/地区详情。其中,全球共有5个国家的ESI高被引论文超过5篇。其中,美国以33篇高被引论文位于全球首位,而中国和日本分别以9篇和7篇论文分列二、三位。随后,韩国和英国同以6篇论文并列位于第四位。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。从研究主题角度分析,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。从论文产出地分析,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。

640.webp (13).jpg

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

640.webp (14).jpg

图3 1990~2016年GaN照明材料领域发文超过100篇的国家/地区

SCIE数据库收录的科技论文数量是衡量一个国家或地区科研实力的重要指标之一。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,共发表了1902篇论文,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%。另外,排名三到十七位的国家/地区依次是韩国(占全球论文总数的15.62%)、中国台湾地区(13.90%)、日本(12.81%)、德国(8.46%)、法国(4.72%)、俄罗斯(3.99%)、英国(3.43%)、波兰(2.22%)、印度(1.89%)、意大利(1.77%)、瑞典(1.59%)、新加波(1.49%)、苏格兰(1.45%)、西班牙(1.34%)和加拿大(1.02%)。


为了更好地比较主要国家/地区的论文发表情况,图4对比了排名前六位国家/地区在1990年~2016年之间的年发文数变化趋势。可以看到在1995年前该领域的发文数比较少,表明此时全球在该领域仍处于探索过程。随后,美国、日本和德国在该领域率先取得突破,发文数快速发展。其中,美国在前期一直表现出明显优势,而日本和德国的发展略有所起伏。其他国家/地区如中国大陆、韩国和中国台湾地区在前期表现出较为缓慢的发展趋势。到了后期,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,并在2011年首次超过美国后一直保持全球领先的地位。

640.webp (15).jpg

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

论文被引总数和h-index因子是衡量地区已发表论文整体水平的重要指标之一。虽然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。这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。美国在这两个指标均表现出强大的实力,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,在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。

640.webp (15).jpg

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

3.5.1 全球主要机构分布

根据统计结果,可以得到全球共有16家机构在GaN照明领域发文数大于200篇,如图5所示。其中,美国(美国加州大学系统、圣塔芭芭拉加州大学、美国能源部和美国国防部)、中国台湾(国立成功大学、国立交通大学、国立台湾大学和国立中央大学)、韩国(全北大学、高丽大学、三星和光州科学技术院)各占据了4家机构,表现出比较强的整体科研实力。另外,俄罗斯占据了两家机构(俄罗斯科学院和约飞物理技术研究院),而法国(法国国家科学院)和中国大陆(中国科学院)则各占有一家机构。虽然我国大陆仅有一家机构进入排名,但其以发表572篇论文领先其他机构,位于全球首位。

640.webp (17).jpg

图5 全球发文量大于200篇的核心机构


3.5.2 国内主要机构分布

 对我国大陆主要研究机构进行论文数统计,得到共12家机构在GaN照明领域发文数超过50篇,进入全球一百强(表4)。其中,由于中国科学院系统包括了下属多个研究所,因此其在论文发表数上表现出比较强的综合实力,以572篇论文遥遥领先国内其他机构,并排在全球首位。同时,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,位于全球前五十强。

640.webp (18).jpg

表4 国内主要机构发文数


3.6 研究热点

主题关键词是论文作者最想向读者传达的信息,也是该文献研究的核心内容,因此通过统计论文的主题关键词在文献标题、摘要和关键词中出现的频率,可以直观看出该领域的研究热点及发展趋势。本论文通过VOSviewer软件分别对全球10977篇论文和我国大陆1902篇论文的主题关键词进行深入挖掘,并利用软件自带算法对主题关键词进行聚类,得到如图5所示的全球及我国大陆在该领域的研究热点。图中圆环的大小代表了主题关键词出现的频率多少,而圆环与圆环之间距离的远近则代表了主题关键词之间关联性的强弱程度。


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6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。应特别注意的是,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。

640.webp (19).jpg

640.webp (20).jpg

图6 全球(a)和我国大陆(b)在GaN照明领域研究热点聚类图

640.webp (21).jpg

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

为了分析GaN照明领域的全球区域及机构合作情况,本论文通过VOSviewer软件的Co-authorship功能分析了该领域发文量超过100篇的主要国家/地区及机构的合作网络图,如图7所示。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。由主要国家/地区合作网络可以看到,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。另外,由全球该领域主要高产机构的合作网络可以得到呈现以下几个特征:一是我国高产机构(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,二是中国台湾地区的高产机构之间开展了比较密切的合作,三是美国、日本韩国及俄罗斯等国家的高产机构交流相对比较多。值得一提的是,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。

640.webp (22).jpg

640.webp (23).jpg

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

640.webp (24).jpg

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

通过分析该领域全球主要论文的引文情况,可以得到该领域的研究发展情况,如图8所示。为了保证分析文献的代表性,利用软件分析时考虑了论文的引用频数及其与其它论文的相关性两个参数。通过深入分析主要论文内容及其相互间的引文情况,发现该领域的发展主要有以下几个特征:一是日本科学家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。二是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。三是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,而这也是目前我国在该领域落后于他们的重要原因之一。

640.webp (25).jpg

图8 全球GaN主要论文引文情况


3.9 地区竞争力分析

为了分析全球GaN照明领域的区域科研竞争力水平及我国大陆在该领域所处的地位,我们筛选了论文数、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(表7)。

640.webp (26).jpg

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:

640.webp (27).jpg

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:首先,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。其次,日本虽然论文发表数仅排在全球第五,但其在其它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。特别指出的是,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。最后,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。韩国和中国台湾在高产期刊数量上较为薄弱,而在其它方面实力较为平均;德国的发文数量总数较少,但其在h-index因子指标值较强;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,这可能是我国大陆与其它领先国家在该领域仍存在一定差距的一个重要原因。


4  结论

利用科学的文献计量方法对已发表论文数进行统计分析,可以直观地了解到该学科领域的发展现状、机构布局、研究热点及区域科研竞争力水平等信息。本论文通过对1990~2016年期间ISIWeb of Knowledge平台中SCIE数据库收录的全球GaN照明领域研究论文进行统计分析,可得到以下几点结论:

1)全球GaN照明领域在经历20世纪90年代初期的探索期后,在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年后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)利用VOSviewer软件对GaN照明领域论文的主题心关键词进行词频分析,得到该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。其中,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,表明我国在该领域的研究现状仍处于追赶地位。通过分析该领域主要高产国家/地区及机构合作网络,得到我国大陆地区、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。通过分析代表性论文的引文情况,得到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)通过对比我国大陆与领先国家/地区在GaN照明领域的科研综合竞争力水平可以得到,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。


结合以上结论,我国在GaN照明领域的发展应注意以下几点:

1)加强该领域前沿热点研究。通过政策和资金整合国内科研资源及优势,并加强内部专业人才的培养和海外高层次人才的引进,突出国内重点研发方向,在该领域若干前沿热点建立具有较强研发能力和创新能力的研究团队进行重点技术攻关,以此拉近与领先国家/地区的差距,并最终实现弯道超车。


2)制定灵活的科研人员考核机制。在鼓励科研人员提升该领域科研成果数量时,也应该要注重提升成果质量,力争发表一些高水平、高被引的科研成果,提高我国在该领域的国际影响力,推动我国在该领域的基础研究迈上新台阶。


3)加强该领域研究成果的转化及应用。通过建立高效合理的产学研合作计划积极推动该领域研究人员与企业的合作,让研究人员积极参与到该领域产业化急需攻关的研究课题上,形成具有产业化意义的应用研究成果,并突破国外对我国在该领域产业应用的技术封锁。


您的评论:

0

用户评价

  • 暂无评论