氮化镓基紫外探测器
氮化镓激光器及氮化镓材料的特性及其发展前景的探讨
氮化镓激光器及氮化镓材料的特性及其发展前景的探讨NanoPpto纳米光学技术所应有的市场领域，无一不是以亿美元为统计单位的，这其中包括到2009年市场需求超过2.5亿美元的数字影像市场、3亿美元的光通信市场以及超过7.5亿美元的投影和现实设备。
而NanoOpto公司瞄准这些市场也在努力的转变角色，从纯粹从事技术研发的学术机构向更加关注技术商用的商业化公司转变。
半导体所研制成功氮化镓基激光器氮化镓基半导体材料是续硅和砷化镓基材料后的新一代半导体材料，被称为第三代半导体材料，它具有宽的带隙，优异的物理性能和化学性能，在光电领域具有广泛的应用前景和研究价值。
用氮化镓基半导体材料研制成的氮化镓基激光器在国防安全领域和光信息存储、激光全色显示、激光打印、大气环境监测、水下通信、双色激光探测等领域具有重要的应用价值。
我国非线性光学晶体三朋硫酸锂（LBO）研究取得了重大进展中国科学院理化技术研究所的研究组在非线性光学晶体三朋硫酸锂研究上取得重大进展。
他们采用新的生长技术和助溶剂体系，解决了大尺寸、高品质LBO晶体生长的关键技术问题，突破了LBO晶体难以长达的瓶颈，成功地生长出尺寸大146mm×145mm×62mm、重量为1116.8g的LBO单晶。
超过了现有文献报道的国际上最大重量LBO单晶500g以上。
LBO晶体是全固态激光技术中最关键的材料之一，改成果的取得使中国牌晶体LBO的研究上了一个新的台阶。
这将对LBO晶体相关产业的发展起到积极的推动作用。
同时将为大口径、高能、高功率激光技术的发展提供新的可供选择的重要变频材料和器件。
作为第三代半导体材料的代表，氮化镓基半导体材料是新兴半导体光电产业的核心材料和基础器件，不仅带来了IT行业数字化存储技术的草命，也将推动通讯技术发展，并彻底改变人类传统照明的历史。
氮化镓基半导体材料内、外量子效率高，具备高发光效率，高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，是目前世界上最先进的半导体材料，可制成高效蓝、绿、紫、白色发光二极管和激光器。
氮化镓用途
氮化镓用途引言氮化镓（GaN）是一种半导体材料，具有优异的电子性能和热性能。
它在电子、光电子和能源领域有着广泛的应用。
本文将详细介绍氮化镓的用途及其在不同领域的应用。
电子领域1. 高电子迁移率晶体管（HEMT）氮化镓是制造高频、高功率的HEMT器件的理想材料。
其高饱和漂移速度和高电子迁移率使得GaN HEMT在射频功率放大器和微波通信系统中具有出色的性能。
GaN HEMT还被广泛应用于雷达系统、无线通信设备和卫星通信等领域。
2. 能隙光电二极管（LED）氮化镓在LED制造中扮演着重要角色。
由于氮化镓材料带隙宽度可调，因此可以实现不同颜色发光。
GaN基LED具有高效率、长寿命和低能耗等优点，被广泛应用于照明、显示屏幕、背光源等。
3. 激光器氮化镓激光器具有较高的电子迁移率和较窄的能带宽度，因此在光通信、激光打印、激光雷达等领域有着广泛应用。
GaN激光器还可用于医疗设备、材料加工和科学研究等领域。
光电子领域1. 光电探测器氮化镓材料具有宽带隙和高饱和漂移速度，使其成为制造高性能光电探测器的理想选择。
GaN光电探测器在太阳能电池、红外探测、高速通信等领域有着广泛应用。
2. 紫外线发射二极管（LED）氮化镓材料在紫外线波段的发射具有独特优势。
GaN基紫外线LED广泛应用于消毒、水质检测、荧光光源等领域。
3. 深紫外线激光器由于氮化镓材料的宽带隙，GaN激光器可以实现深紫外线波长的输出。
这种激光器在生物医学、材料加工和气体检测等领域具有重要应用价值。
能源领域1. 太阳能电池氮化镓太阳能电池具有高光电转换效率和较高的耐热性能。
GaN太阳能电池对可见光和紫外线的吸收能力强，可以实现高效转换太阳能为电能。
2. 氢燃料电池氮化镓材料在氢燃料电池中作为催化剂载体具有优异的性能。
GaN可作为催化剂载体提高氢燃料电池的催化效率、稳定性和寿命。
3. 热管理由于氮化镓具有较高的导热系数和优异的耐高温性能，因此被广泛应用于高功率电子器件的热管理。
氮化镓光功能器件
氮化镓光功能器件引言氮化镓（GaN）是一种宽禁带半导体材料，具有优异的光电性能和热性能。
由于其特殊的物理和化学性质，氮化镓在光电子器件中得到了广泛应用。
本文将介绍一些基于氮化镓的光功能器件及其应用。
一、氮化镓发光二极管（LED）氮化镓发光二极管（LED）是氮化镓光功能器件中最为重要的一类。
氮化镓LED具有高亮度、高效率、长寿命等优点，被广泛用于照明、显示和通信等领域。
其工作原理是利用氮化镓材料的直接能隙特性，在外加电压作用下，电子与空穴复合释放能量，产生光辐射。
二、氮化镓激光二极管（LD）氮化镓激光二极管（LD）是一种通过受激辐射产生高纯度、高亮度的激光光源。
与其他激光器相比，氮化镓激光二极管具有体积小、功率密度高和发射波长范围宽等特点。
它在光纤通信、光磁存储和医疗器械等领域有着广泛的应用。
三、氮化镓光电二极管（PD）氮化镓光电二极管（PD）是一种将光信号转换为电信号的器件。
它具有高速响应、高灵敏度、低噪声等特点，被广泛应用于光通信、光电探测和光谱分析等领域。
氮化镓光电二极管的工作原理是当光子入射到器件中时，产生电子空穴对，形成电流输出。
四、氮化镓太阳能电池（GaN-Solar Cell）氮化镓太阳能电池（GaN-Solar Cell）是一种新型的高效能量转换器件。
相比于传统硅太阳能电池，氮化镓太阳能电池具有更高的光电转换效率和更好的热稳定性。
由于氮化镓材料的宽禁带和高饱和电子迁移率特性，使得氮化镓太阳能电池在低光强环境下仍然能够保持较高的发电效率。
五、氮化镓光探测器（PD）氮化镓光探测器（PD）是一种用于检测光信号的器件。
由于氮化镓材料具有较高的饱和电子迁移率和较低的噪声特性，使得氮化镓光探测器具有高速响应和低噪声的优点。
氮化镓光探测器在光通信、光纤传感和图像识别等领域有着广泛的应用。
六、氮化镓光放大器（SOA）氮化镓光放大器（SOA）是一种用于光信号放大的器件。
氮化镓材料的高饱和电子迁移率和较低的损耗特性，使得氮化镓光放大器具有高增益、宽带宽和低噪声的优势。
GaN基紫外探测器及其研究进展
ｍｅｔｏ ｌａｉｌ ｔ ｔ ｓｗ ｓａ ｏ ｉ ｏ ｕｅ ， ｃ ｄｎ ｅＧａ ａｅ ｏａ ｐａ ｅ ａ ａ （Ｐ ｎｄ ｎ ｆｕｔ ｖｏ ｔ ｅ ｏ ａ ｓ ｔ ｄ ｃ ｉ ｌ ｉｇ ｔ Ｎ ｂ ｓｄ ｆｃ ｌ ｒ ｙ Ｆ Ａ）ａ ｒ ｅｄ ｃｒ ｅ ｌ ｎ ｒ ｄ ｎ ｕ ｈ ｌ ｎ ｒ
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维普资讯
第３ ５卷 第 ３期
Ｖ０ ．５ Ｎｏ ３ １ ． ３
红 外 与 激 光 工 程
Ｉ ｆａ ｅ ｎ ａ ｅ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｎｒ ｒ ｄａ ｄＬ ｓｒＥ ｇｎ ｅｉ ｎ
２０ ０ ｏ
Ｇ Ｎ基 紫 外 探 测 器 及 其 研 究 进 展 ａ
Ｓ ａｇ ａ ２ ０ ８ ， ｈ ａ ２Ｉ ｔｕ ｆＳ ｍ ｃｎ ｕ ｔ ， ｈｎ ｓ Ａ ａｅ ｙ ｏ ｃ ｎｅ ， 蜘ｉ ０ ０ ３ Ｃ ｉ ） ｈ ｎ ｈｉ ０ ０ ３ Ｃ ｉ ； ． ｓ ｔ ｅ ｏ ｅ ｉ ｄ ｃ ｒ Ｃ ｉ ｅ ｃｄ ｍ ｆ ｉ ｃｓ Ｂ ｎ １０ ８ ， ｈｎ ｎ ｎ ｉｔ ｏ ｏ ｅ Ｓｅ ｇ ａ
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李 向阳 许金 通 ， ， 汤英文 ， 雪 张 燕 ， 海梅 １赵德 刚 杨 辉 李 ， 龚 ， ，
紫外探测器原理
紫外探测器原理紫外探测器是一种可以检测紫外光的光电传感器，广泛应用于科学研究、工业检测、环境监测等领域。
它基于紫外光与物质之间的相互作用原理，将光信号转换为电信号，实现对紫外光的探测、测量和分析。
紫外探测器的工作原理基于紫外光的光电效应，即当紫外光照射到感光材料上时，光子的能量被传递给感光材料中的电子，使其从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
紫外光的强度越大，传递给感光材料的能量就越大，电子的跃迁数量就越多，形成的电子空穴对也就越多。
接着，这些电子空穴对会被电场分离并收集到电极上，产生电流信号，从而实现对紫外光的探测。
常用于紫外探测器的感光材料有硅（Si）、氮化镓（GaN）、硒化镉（CdSe）等。
硅是一种常见的半导体材料，具有良好的光电性能和相对较宽的响应范围，在宽波长范围内都能对紫外光产生响应。
氮化镓则是一种具有较高选择性的材料，适用于高能量的光子探测。
而硒化镉则是一种高灵敏度的材料，适用于高精度的紫外光测量。
除了感光材料，紫外探测器还包括光透过窗、滤光膜、光敏电极等组件。
光透过窗用于过滤掉紫外光以外的光线，确保只有紫外光能够进入探测器。
滤光膜则用于进一步调节入射光的波长和强度，以满足具体应用需求。
光敏电极则负责收集感光材料中产生的电子空穴对，将其转化为电流信号。
在实际应用中，紫外探测器通常与信号放大器、滤波器、数据采集系统等设备结合使用，以提高信号的检测灵敏度和增加探测范围。
信号放大器将探测器输出的微弱电流放大为可测量的电压信号，滤波器则用于进一步滤除噪音和杂散光，数据采集系统则用于记录和分析探测器输出的电信号。
总的来说，紫外探测器的原理是基于光电效应，通过感光材料吸收和转换紫外光的能量，产生电流信号。
感光材料的选择、光透过窗、滤光膜、光敏电极等组件的设计和优化，以及与其他设备的配合使用，都是实现高灵敏度、高准确性紫外光探测的关键。
日盲紫外光电探测器结构
日盲紫外光电探测器结构日盲紫外光电探测器（Solar Blind Ultraviolet Photodetector）是一种能够在太阳能紫外线波段（200-280纳米）具有高响应度和低响应度的探测器。
它在紫外线波段的探测对于环境监测、军事侦查、卫星通信等领域都有重要的应用。
首先是光敏元件，它是日盲紫外光电探测器的核心部分，用于接收紫外光并产生电荷载流子。
常用的光敏元件有硅（Si）材料和氮化镓（GaN）材料的PIN结构二极管。
硅材料具有高响应度和低响应度的特点，但其长波边缘在280纳米左右，因此不能实现日盲性。
而氮化镓材料具有非常好的紫外光透过性，在200纳米以下具有低响应度，能够实现日盲特性。
其次是光学系统，它主要用于将入射的紫外光聚焦到光敏元件上，提高光信号接收效率。
光学系统通常由凸透镜和滤光片组成，凸透镜用于聚焦光线，滤光片用于屏蔽可见光和红外光。
进一步是电子信号处理系统，它主要用于放大和转换光敏元件产生的微弱电流信号。
电子信号处理系统通常由前置放大器、滤波器、放大器和模数转换器等组成。
前置放大器用于放大微弱电流信号，滤波器用于除去噪声和杂散信号，放大器用于进一步放大信号，模数转换器用于将模拟信号转换为数字信号。
最后是外壳保护，它用于保护整个光电探测器免受外界环境的干扰和损伤。
外壳通常采用金属材料制成，具有良好的导热性和机械强度，并可以有效地屏蔽外界干扰源。
总结来说，日盲紫外光电探测器的结构主要包括光敏元件、光学系统、电子信号处理系统和外壳保护。
光敏元件负责接收和产生电荷载流子，光学系统用于聚焦紫外光，电子信号处理系统用于放大和转换信号，外壳保护用于保护整个探测器。
这些部件的结合使得日盲紫外光电探测器能够高效地探测太阳能紫外线波段的信号。
氮化镓用途
氮化镓用途氮化镓（GaN）是一种宽禁带半导体材料，具有优异的电子性能和热稳定性，所以在各种领域都有广泛的应用。
以下是氮化镓的主要用途：1. 光电子器件：氮化镓是目前最重要的宽禁带半导体材料之一，具有较高的光电转换效率和较高的光辐射功率密度，因此被广泛应用于光电子器件的制造。
例如，氮化镓LED （Light Emitting Diode，发光二极管）被广泛应用于照明、显示器和显示屏等领域，其高亮度、高效率和长寿命的特点使得LED在替代传统照明和显示技术方面具有巨大的潜力。
此外，氮化镓也用于制造激光、太阳能电池、光电探测器等光电子器件。
2. 功率电子器件：氮化镓材料具有较高的电子迁移率和极高的饱和电子漂移速度，使其非常适合用于制造功率电子器件。
氮化镓功率器件可以实现较高的开关速度和较小的开关损耗，广泛应用于电力转换、能源传输和电机驱动等领域。
例如，氮化镓晶体管（GaN HEMT）被用于制造高频、高功率的放大器、放大模块和射频工作的微波器件，也广泛应用于电动汽车、太阳能逆变器和电源控制等领域。
3. 无线通信：由于氮化镓材料具有较高的饱和电子漂移速度和较低的微波损耗，因此在无线通信领域有着广泛的应用。
氮化镓射频器件可以实现高功率、高频率的操作，并具有较低的功率消耗和较小的尺寸，因此被广泛用于手机基站、卫星通信和雷达系统等无线通信设备中。
此外，氮化镓还用于制造高频谐振器、倍频器、低噪声放大器等微波器件。
4. 高温电子器件：氮化镓材料的热稳定性非常好，可以在高温环境下稳定运行。
因此，氮化镓被广泛应用于高温电子器件的制造。
例如，在航空航天领域，氮化镓器件可以在高温和高辐射环境下工作，用于制造高温功率放大器、高温传感器和高温电路。
此外，氮化镓也用于制造高温电动汽车电池、高温传感器和高温电源等高温应用领域。
5. 紫外光器件：由于氮化镓材料能够发出紫外光，因此被用于制造紫外光器件。
例如，氮化镓紫外光发光二极管（UV-LED）被广泛应用于紫外光固化、水质检测和防伪识别等领域。
PIN结构GaN光电探测器性能的研究
太阳能光电工程学院《PIN结构GaN光电探测器性能的研究》课程设计报告书题目：PIN结构GaN光电探测器性能的研究*名：***专业：光伏材料加工与应用技术班级：光伏材料加工与应用技术本科班准考证号： 014411304226设计成绩：指导教师：摘要半导体光电探铡器主要分成两类，光电导型和光伏型。
光电导型原理是由于光生载流子造成电导率的变化，光伏型原理是耗尽区的电场使光生载流子产生定向运动形成电流。
常见的光伏型探测器是pn结和pin型光电二极管，另一类型是肖特基型光电二极管，其耗尽区是肖特基原理形成。
与光伏型相比，光电导型探测器有两个主要优点：具有内增益和制作简单。
然而，光电导型探测器要求加偏置，暗电流大，而且速度慢。
肖特基型光探测器被认为是速度最快的探测器，但是它的势垒较低，漏电流比pin型大。
由于耗尽区窄，而且GaN材料中耗尽区外产生的载流子扩散长度短，肖特基型光探测器量子效率较低。
所以本文选择了pin型光探测器的研究，加入i层是为了扩展耗尽区的宽度，增加对光的吸收。
关键词：氮化镓探测器 PIN 饱和电流目录绪言 (3)第一章 GaN基pin型探测器 (4)1.1 pin型探测器工作原理 (4)1.2 量子效率及光谱晌应 (6)1.3 瞬态响应 (7)1.4 GaN基pin型探测器研究现状 (8)第二章 Ga基pin型紫外探测器的研制 (10)2.1 GaN基pin型探测器分析 (10)2.1.1 GaN材料p诅紫外探测器 (10)2.1.2 pin紫外探测器分析 (10)2.2 材料生长及器件制作 (12)2.2.1 材料生长 (12)2.2.2 版图设计 (12)2.2.3 器件制备 (14)3.1 暗电流 (15)3.2 光电流 (16)第四章 GaN基pin型紫外探测器高温电气性能 (17)4.1 不同温度下I—V性能测试及分析 (17)4.1.1 测试系统的建立 (17)4.1.2 测试结果处理及分析 (18)4.2 不同温度下C-V性能测试及分析 (18)4.2.1 测试系统的建立 (18)4.2.2 测试结果处理及分析 (19)结论 (20)参考文献 (21)绪言半导体紫外探测器体积小，性能稳定，使用方便。
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2）存在的主要问题 Si衬底上外延GaN，其晶格失配为17% Si衬底和GaN之间56%的热膨胀系数差 异导致较大的热失配，从而产生微裂。 Si扩散及SiNx形成问题
3）采用的研究方案
采用高温AlN缓冲层技术，抑制Si扩散，缓解晶 格失配。 采用插入层技术，解决由于热失配导致的GaN层 微裂问题。 可协变衬底技术，解决晶格失配和热失配问题。
GaN grown by the two-step method
2 m
3）自行设计组装了MOCVD设备在位监测 系统，对GaN基材料的生长规律和过程有 了更深刻的理解，进一步优化了N型GaN 、P型GaN和AlGaN的生长参数，材料质量 得到了进一步的提高
B
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
4000
3000
PL Intensity (a.u.)
2000
1000
0
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
Wavelength (Angstrom)
3 氮化镓基激光器
1）通过计算机模拟计算和分析确定了分 别限制异质结结构的激光器结构的 各层 基本参数；
P-electrode
Si衬底GaN基 LED及LD等器件便于集成。 低成本、高质量和大面积的Si衬底。
Si基GaN器件制作较SiC和Al2O3衬底器件简 单，成本低。
Si衬底生长GaN基材料取向为： GaN(0001)[2-1-10]//Si(111)[02-2], 因此，Si衬底生长的GaN基外延片易解理 ，更适合大批量生产。 Si衬底优越的散热性能，在大面积集成 、显示方面的应用将显示出更多的优越 性
样品：S716A01，生长厚度2.3m, FWHM(ω)=490 arcsec
GaN/AlN/Si(111) (0002) scan
12000
10000
8000
intensity
6000
4000
2000
0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0
典型样品PL谱半高宽为43 Å
此项目顺利通过验收，标志着我 国具有了自主规模化生产氮化镓蓝绿 光LED的能力，我们所也成为在国内 同类项目中率先实现产业化技术转移 的研究单位。
积累了产业化的经验，提升了科 研能力。 今后将继续为深圳方大的氮化镓基 蓝绿光LED生产线提供技术支持和服务。
2 Si衬底上氮化镓基LED
1)研究意义
0
r (deg.)
r (deg.)
新型横向生长工艺的GaN双晶X射线衍射w扫描曲线。（a）掩模条垂直 衍射平面；（b）掩模条平行衍射平面
a. u.£© Intensity£¨
4000
4000
表面腐蚀坑密度的观察
－－采用新型横向外延工艺同样可以大幅度降低TD密度
Mask region
Window region
“氮化镓基半导体材料与器件”
年度研究工作进展
氮化镓基半导体材料与器件课题组
一
课题组本年度的在研课题及任务
1 国家“863”计划课题“氮化镓基激光器” 3 国家“863”计划课题“Si上氮化镓基LED研 究” 4 国家军事预研项目“氮化镓基紫外探测器材 料生长”
2 国家“863”计划课题“氮化镓基紫外探测器”
SEM表面形貌像
－－解决了相邻GaN条合并时的困难，可获得平整的表面
传统横向外延工艺
新型横向外延工艺
Tilt的DC-XRD观察
－－消除了晶面倾斜的产生
6000
()
10000
(b)
5000
8000
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Intensity( a. u.)
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3000
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2000
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0 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2
0
(deg.)
(deg.)
常规横向生长GaN的双晶X射线衍射w扫描曲线。（a）掩模条 垂直衍射平面；（b）掩模条平行衍射平面
Intensity( a. u.)
6000
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(a)
(b)
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a. u.£© Intensity£¨
3000
2000
2000
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0 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2
reflectivity(a.u)
G row th tim e(s)
GaN生长过程中的反射率监测曲线
4）开展了AlInGaN及AlGaN/GaN量子阱研 究工作,取得了比较有意义的结果，初步 掌握了用AlInGaN控制带宽和晶格匹配的 材料生长工艺和设计方法，为量子阱激 光器的设计和生长设计和制作打下了基 础;
P-GaN
P-AlGaN
InGaNMQW n-AlGaN n-AlInGaN SiO2 n-electrode
GaN
Al2O3 substrate
2） 利用现有的MOCVD设备研究了 GaN侧向外延技术，基本上掌握了侧 向外延中生长参数对材料特性影响的 一般性规律，侧向外延掩膜区的缺陷 密度大幅度降低，目前已经达到 107/cm2量级, 在侧向外延技术方面我 们还申请了一项国家发明专利，该专 利解决了侧向外延技术中的晶向倾斜 问题和常规外延外延生长中相邻GaN条 合并的困难，可获得平整表面的GaN样 品
4）取得的研究成果
优化高温AlN最佳生长条件，实现无微裂 MOCVD生长GaN的临界厚度大于 500 nm，和低温AlN缓冲层方法相当。当AlN 缓冲层厚度在30nm左右时，既有效的抑 制Si扩散，又使厚层GaN微裂密度最低， 质量最好，并且RMS小于1nm
采用插入层技术实现1.3µ m以上无微裂 GaN层生长并研究了其应力释放机理，室 温PL谱FWHM小于3nm。 插入SiN层技术，进一步减少位错密度，实 现X光扫描FWHM小于720s（GaN厚度为 850 nm）。 目前我们的材料研究水平处于世界前列。
5 中科院创新项目“氮化镓基紫外探测器列阵”
6 军事预研项目“高温大功率电子器件用 碳化硅材料的研究” 7 国家自然科学基金“氮化镓基半导体激 光器的材料生长与器件工艺研究”
8 国家杰出青年基金“半导体材料与器件 之间关系研究” 9 “氮化镓基蓝绿光LED产业化”技术转让
二 本年度研究工作进展
1 与深圳方大集团的技术和工作人员的紧密 合作,经过组内人员一年多的共同努力 “氮 化镓基蓝、绿光LED产业化”技术转让项目 于2002年6月顺利通过了双方领导和专家组 织的验收, 目前生产线运转正常，产品批量 上市。