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1、项目名称：全组分可调III族氮化物半导体光电功能材料及其器件应用首席科学家：沈波 北京大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部 中国科学院一、关键科学问题及研究内容关键科学问题及其科学内涵：根据本项目涉及的高Al组分AlGaN，高In组分InGaN，及GaN、AlN同质外延衬底材料等III族氮化物半导体材料及其低维量子结构的共性特点，拟解决的关键科学问题凝练、归纳为：1、非平衡条件下全组分可调氮化物半导体的外延生长动力学与缺陷控制 由于InN、GaN、AlN晶格常数的较大差异，三者化学性质的明显差异导致高Al组分AlGaN、高In组分InGaN材料的制备均为非平衡条件下的外延生
2、长，生长窗口狭小，难以生长出大面积、高质量的外延薄膜。而迄今制备GaN和AlN自支撑厚膜衬底材料的主流方法-HVPE法是典型的非平衡态生长。非平衡条件下全组分可调III族氮化物半导体及其低维量子结构的外延生长存在一系列尚未认知的新颖和复杂特性，其缺陷控制规律也有待深入研究和掌握。2、全组分可调氮化物半导体中的应力控制和极化调控AlGaN基、InGaN基半导体低维结构材料均为大失配应变体系，同时亦为具有很大自发极化和压电极化系数的强极化体系，其制备过程中应力的控制不仅决定外延材料的质量和缺陷密度，而且直接调控材料中的极化感应电场和能带弯曲，从而影响材料和器件的宏观光电性能。另一方面，极化行为不仅
3、可以调控AlGaN基、InGaN基低维结构材料的光学、电学性质，而且极化方向及其强弱亦会对材料的外延生长，特别是生长过程中的原子迁移和键合产生重要影响。而在GaN和AlN自支撑厚膜衬底的生长过程中，应力、包括热应力的控制和释放规律是其最核心的问题，是决定材料生长成败和材料质量的最主要因素。3、高Al、高In组分氮化物半导体中的杂质行为调控和p型掺杂 半导体材料的p型掺杂是实现其器件功能的基本环节。在AlGaN外延材料中，由于p型掺杂原子离化能随Al组分不断提高，导致高Al组分AlGaN材料p型杂质的困难。而在高In组分InGaN和InN外延材料中，存在高达1018 cm-3以上的背景电子浓度，
4、在其近表面区域还始终存在高电子浓度的表面电荷层，从而严重影响其p型掺杂和检测。另外，AlGaN和InGaN材料中的p型杂质还与其他杂质原子和缺陷存在复杂的相互作用，极化电场也对p型掺杂存在明显的作用。因此，研究降低背景杂质的补偿行为和实际离化能、探索新的可控p型掺杂方法，是实现AlGaN基和InGaN基材料器件应用的关键问题。4、高导带阶跃、强极化半导体量子结构中电子、光子的运动规律和性能调控作为典型的高导带阶跃、强极化半导体量子结构体系，AlGaN基和InGaN基低维结构中电子、光子的运动及其调控有其特殊的规律，如高Al组分AlGaN存在价带分裂的反转，对光子沿材料c轴方向的出光产生致命的影
5、响。强极化电场对电子的复合、输运、自旋等性质有重要影响。对AlGaN基和InGaN基低维量子结构材料中电子、光子运动规律的认识和有效调控，特别是对电子、光子运动规律与特定材料结构内在关联的认识，不仅对丰富和发展宽禁带半导体物理学具有重要意义，而且是实现其器件应用的科学基础。主要研究内容：依据有限目标，突出重点的原则，本项目围绕上述关键科学问题，选择下列4个方面作为主要研究内容：1、 AlGaN基紫外(UV)发光、探测材料及其器件应用研究非平衡条件下AlGaN基薄膜及其低维量子结构的外延生长动力学，探索MOCVD外延生长过程中增强III族原子表面迁移的生长模式和控制规律；采用Mg和Si杂质构造不
6、同内建电场的掺杂量子阱结构，运用极化效应调制AlGaN基超晶格结构中的p型掺杂；设计和制备具有极化和能带调控功能的新型AlGaN基量子结构，调整光学各向异性；实现具有一定实用性能的AlGaN基UV发光器件和超高速、高灵敏的AlGaN基日盲雪崩UV探测器件；设计和制备基于ISBT原理的AlGaN基多量子阱结构，探索AlGaN基紫外、红外双色探测单片集成实现途径。2、全组分可调InGaN基全光谱光伏材料及其器件应用研究高In组分InGaN大失配异质外延的生长动力学规律，探索抑制其相分离的有效途径；利用InN超薄层调控技术，探索基于InN/GaN短周期超晶格结构的InGaN数字合金(digital
7、alloys)的外延生长规律；研究载流子与杂质缺陷的相互作用及其调控，寻找降低InGaN和InN外延薄膜中背景电子浓度的有效方法，实现其p型掺杂；研究光生载流子复合和输运机制，探寻InGaN单层和叠层结构光电转换过程中的能量损失机理与改善途径，获得提升InGaN基光伏电池的光电转换效率的有效途径。3、GaN和AlN厚膜生长中的应力控制及其自支撑衬底材料的制备研究GaN和AlN厚膜的HVPE生长动力学规律，探索晶格失配、热失配、形核与合并等对厚膜应力生成和积聚的影响规律，建立起大失配厚膜的三维应力模型；结合激光剥离和自分离技术，探索获得无应力或低应力的自支撑衬底材料的有效途径；探索适合自支撑Ga
8、N衬底的MOCVD同质外延生长技术；研究适合自支撑GaN衬底的MOCVD同质外延生长规律；采用MOCVD-HVPE复合生长方法，实现高质量AlN厚膜和AlN/蓝宝石复合衬底材料的外延生长；探索氨热法生长AlN体单晶的途径。4、全组分可调III族氮化物半导体的材料和器件物理研究III族氮化物半导体材料非平衡态外延生长的动力学规律，特别是应力和极化对材料外延质量和缺陷控制的影响规律，建立微区应力成像系统，研究III族氮化物应力分布与外延结构、极性、组分分凝以及生长工艺的内在关联；探索大失配、强极化低维量子结构掺杂工程的物理规律；发展适用于高Al组分氮化物半导体的调制光谱技术和深紫外光致发光时间分辨
9、光谱技术，研究低维量子结构的光学偏振性质和光生载流子的驰豫、输运和辐射复合的发光动力学性质等基本物理过程。二、预期目标总体目标：从国家经济、社会发展和国防安全对全组分可调III族氮化物半导体光电功能材料及其器件的重大需求出发，结合国际上氮化物半导体研究的主要发展趋势，依托我们的既有工作基础和优势，系统开展高Al组分AlGaN材料、高In组分InGaN材料和GaN、AlN同质外延衬底材料的研究。通过对非平衡条件下氮化物半导体的外延生长动力学与缺陷控制等关键科学问题的深入探索，攻克相关的材料制备和器件研制关键技术，建立相关的理论和原始技术创新体系，培育和凝聚一支具有国际水平的研究队伍，为III族氮
10、化物半导体在短波长光电子器件、全光谱高效光伏器件、以及III族氮化物同质外延等方面的重大应用奠定科学基础，为自主发展我国的第三代半导体材料科学和技术，为国家安全和促进相关高技术产业的培育和发展做出贡献。五年具体目标：1、基本掌握非平衡条件下全组分可调III族氮化物半导体的外延生长动力学和p型掺杂动力学规律，初步发展出极性控制、相分离控制、三维应力控制等大失配、强极化材料外延生长急需的物理模型；揭示应变和极化对低维量子结构中载流子输运、复合、跃迁和宏观光电性质的影响规律；发展出深紫外时间分辨光谱、微区应力分布成像等几种具有自主知识产权的表征和检测新方法，为相关材料和器件研制提供物理支撑。2、实现
11、表面原子级平整、低缺陷密度的高Al组分AlGaN（Al组分40%）薄膜的外延生长，外延薄膜XRD（0002）和（10-12）面衍射峰摇摆曲线半高宽分别小于70和300 arcsec；实现Al组分40%的AlGaN的p型掺杂，空穴浓度11017cm-3。3、研制出具有实用性能的AlGaN基UV-LED，峰值波长280-320 nm，发光功率10 mW；研制出高探测灵敏度的AlGaN基日盲紫外雪崩探测器，光响应截止波长280 nm, 外量子效率40%，雪崩增益104量级；实现AlGaN基紫外、红外双色探测原型器件的光电流探测和单片集成。4、 实现全In组分InGaN的外延生长和In组分30%的In
12、GaN的p型掺杂，空穴浓度21017cm-3；实现光电转换效率达到15%或国际领先水平的InGaN基光伏电池原型器件。5、掌握低应力、低位错密度的GaN自支撑衬底材料的实用化HVPE制备方法，2英寸自支撑GaN厚膜的位错密度5106 cm-2，室温下本征载流子浓度51016 cm-3 ，电子迁移率500cm2/Vs；在自制的GaN衬底上同质外延InGaN量子阱结构，实现波长420460 nm的蓝光LD结构的室温连续激射。6、实现无裂纹AlN厚膜晶片的HVPE生长或MOCVD-HVPE复合生长，制备出直径1英寸的自支撑AlN衬底；实现低缺陷密度、高光学透过率的AlN晶体，位错密度 5 x 104
13、cm-2。7、发表300篇SCI、EI收录论文，申请国家发明专利50项，培养一批本领域高水平的青年学术带头人、学术骨干和博、硕士研究生。三、研究方案总体方案和技术途径： 本项目根据全组分可调III族氮化物半导体及其低维量子结构的发展瓶颈依然是材料质量这一实际情况，围绕关键科学问题和研究目标，以非平衡条件下氮化物半导体的外延生长动力学和掺杂动力学为重点和切入点，力求从物理本质上优化材料设计和生长工艺，发展具有自主知识产权的氮化物半导体及其低维量子结构的外延生长方法，在缺陷控制、应力和极化调控、p型掺杂等关键环节上取得突破性进展。在此基础上，系统探索高导带阶跃、强极化半导体体系中电子、光子的运动规
14、律和宏观光电性能调控，发展针对该类材料体系的物性表征和检测新方法，攻克相应的器件工艺关键技术，力争在AlGaN基紫外发光和探测材料与器件、InGaN基全光谱高效光伏材料与器件、GaN和AlN同质外延衬底材料等方面取得重要进展，以器件为出口，用实用型器件性能的大幅提高和新概念原型器件的实现来展示在关键材料科学问题和关键材料制备技术上的突破。创新点和特色：本项目的创新性与特色首先体现在学术思路和实施路径上的创新，它是贯穿本项目的主线：以非平衡条件下氮化物半导体的外延生长动力学和掺杂动力学为重点和切入点，力求从物理本质上理解材料的设计和生长工艺，发展具有自主知识产权的全组分可调的III族氮化物半导体
15、及其低维量子结构的外延生长方法。在此基础上，系统探索高导带阶跃、强极化半导体体系中电子、光子的运动规律和宏观性能调控，发展针对该类材料体系的物性表征和检测新方法，攻克相应的器件工艺关键技术。这一思路将有效地避免传统的经验式研究方法，提高整个项目的研究水平与创新能力。具体的创新点与研究特色主要包括：（1）针对AlN异质外延远离平衡态生长的特征，提出AlN/蓝宝石模板的表面成核、迁移增强以及高温生长复合控制的MOCVD外延生长方法，是本项目的创新点之一。由于Al原子的表面迁移能力低，一般需采用高温生长或者脉冲原子层外延生长等增强表面迁移能力的方法来提高AlN的晶体质量。然而，高温生长会导致剧烈的副
16、反应并易在外延层中产生反型晶畴，而脉冲原子层外延的生长窗口窄、生长条件不稳定，且生长速度过慢。为此我们提出先进行低温成核控制生长，然后混合使用脉冲原子层外延和高温连续生长两种方法，既调控低温成核密度以降低位错密度，又能以较高速率进行高晶体质量AlN外延生长，并通过生长条件的优化来调节应力和抑制位错，实现高质量AlN/蓝宝石材料的外延生长。（2）提出受主-和施主-共掺超晶格结构，以调控超晶格局域内建电场，实现MOCVD外延生长过程中高Al组分AlGaN的高效p型掺杂，是本项目的创新点之二。针对高Al组分AlGaN中Mg杂质激活能高，高电导率的p型材料难以获得的问题，近年来，有研究者提出利用基于极
17、化诱导的超晶格掺杂技术降低受主的激活能，该方法受限于材料本征极化场，制约了空穴浓度的有效提高，为此，我们提出受主-和施主-共掺超晶格结构，通过在AlGaN超晶格界面处分别插入受主和施主的掺杂层，在界面形成局域费米能级使电荷产生转移，进而有效地调节超晶格局域内建电场，增大能带弯曲程度，从而减小受主激活能，实现高Al组分AlGaN的高效p型掺杂。（3）利用极化和应变效应设计应变超晶格结构，改变高Al组分AlGaN价带顶能带的排序，提高光子沿材料c轴方向的出光效率，是本项目的创新点之三。当AlGaN的Al组分高于0.5时，晶体场分裂空穴带（CH）取代了重空穴（HH）带和轻空穴（LH）带成为价带顶，这
18、一转变对光子沿材料c轴方向的出光产生致命的影响。为此，我们提出AlGaN超薄应变量子结构，利用极化和应变效应改变价带顶能带的排序，有效调整高Al组分AlGaN材料的光学各向异性，提高光子沿材料c轴方向的出光效率。（4） 利用InN超薄层生长技术，降低晶格和生长温度的双重失配，实现InGaN基多量子阱结构和高质量的InGaN数字合金，是本项目的创新点之四。InGaN的外延生长受到InN最优生长温度低，与GaN最优生长温度很不匹配的制约，是InGaN外延层晶体质量差的主要原因之一。利用超薄InN层生长技术，不但可以提高InN的最高可生长温度，缩小和GaN最优生长温度的差异，而且可以实现InN在Ga
19、N上的共格生长，从而实现高质量InGaN及其多量子阱结构的外延生长。利用InN超薄层生长技术，亦可以实现基于InN/GaN短周期超晶格结构的InGaN数字合金的外延生长。（5）提出在低缺陷密度生长状态与应力释放生长状态之间周期性变化，抑制HVPE生长过程中GaN厚膜的应力和缺陷，是本项目的创新点之五。GaN厚膜的HVPE外延生长存在两种生长状态，即低缺陷密度生长状态和应力释放生长状态。低缺陷密度生长状态下GaN中位错较少，但应力集中，很容易开裂；而应力释放生长状态下GaN中应力较小，但位错显著增多。这两种不同的生长状态由不同的生长条件决定。我们提出通过控制HVPE生长工艺参数在低缺陷密度生长条
20、件和应力释放生长条件之间以适当速度进行周期性变化，在保证GaN外延膜低位错密度和高质量的同时，有效释放应力，从而实现既控制GaN厚膜开裂，又控制缺陷密度的目的。（6）利用拥有自主知识产权的时间分辨深紫外激光光谱研究高Al组分AlGaN材料及其低维量子结构的发光动力学，是本项目的创新点之六。采用时间分辨深紫外激光光致发光系统可以获得高Al组分AlGaN材料及其低维量子结构中光生载流子和激子的输运、辐射复合等动力学信息，是研究高Al组分AlGaN材料的能带结构和杂质缺陷行为急需的表征手段。我们已经研制出具有自主知识产权的时间分辨（20 ps）深紫外低温光致发光(PL)光谱，是国际上拥有该种测试系统
21、为数很少的几个实验室之一，可以满足本项目对高Al组分AlGaN及其低维量子结构材料发光动力学研究的要求。（7）在MOCVD外延生长过程中采用In、Si共掺杂技术实现高Al组分AlGaN及其低维量子结构材料的n型电导调控，是本项目的特色之一。 由于高Al组分AlGaN具有带隙宽和缺陷密度高的特点，导致高电导性AlGaN材料制备的困难。针对这一问题，在MOCVD生长过程中利用In、Si共掺杂方法提高AlGaN外延层中Si施主杂质的固溶度，在研究施主杂质激活能与Al组分相关性的基础上，寻找降低有效激活能的方法，从而提高n型载流子浓度，有效调控高Al组分AlGaN材料的电导。（8）提出采用激光预剥离和
22、In(Ga)N牺牲层方法，在HVPE生长过程中实现GaN厚膜与衬底的自动分离，是本项目的特色之二。激光预剥离技术是利用激光剥离方法将GaN薄膜和蓝宝石衬底不完全剥离，呈网状部分分离。然后继续生长达到预定厚度后降温，在降温过程中，由于热应力作用使GaN厚膜与弱连接的蓝宝石衬底自动分离，同时避免GaN厚膜破裂。In(Ga)N牺牲层技术是利用MBE方法首先在蓝宝石衬底生长一层InN或InGaN外延层，快速升到高温后HVPE法生长GaN厚膜，因为In(Ga)N牺牲层高温下容易分解，从而实现GaN与衬底的自动分离。（9）非平衡态热力学耦合理论计算与实验验证相结合，构筑AlN 氨热体系的非平衡相图，突破A
23、lN单晶氨热法生长的关键难题，是本项目的特色之三。AlN单晶的氨热法生长需要反应生成的晶体是该系统中不分解的唯一稳定相，并具有理想的生长速率和高晶体质量，因而明确AlN在氨热系统中的相平衡关系是确定晶体生长条件的物理基础。然而由于AlN具有很高的熔点和极其缓慢的动力学反应过程，其平衡相图很难得到。针对这一问题，我们先用热力学耦合理论计算AlN在不同矿化剂作用下的非平衡相图，然后采用实验的方法验证并微调AlN氨热体系的非平衡相图，在此基础上，研究氨热法生长AlN的最佳条件。（10）从光学偏振特性的角度研究全组分可调III族氮化物低维量子结构中的极化效应、应变效应、界面结构及其对能带结构和载流子行
24、为的影响，是一种全新的研究方法，也是本项目的特色之四。由于全组分可调III族氮化物半导体极强的自发和压电极化，其低维量子结构中的应变和界面结构等会通过极化效应来影响材料的光电性质，包括改变载流子浓度、电子能级等。除此之外，还会影响到微结构的光学偏振和载流子自旋等性质。采用反射差分谱、圆偏振自旋光电流谱、基于偏振调制技术的应力成像技术等偏振敏感的光学表征新技术来研究单轴应变、界面结构、极性畴等对低维量子结构光电性质的影响，与常规光学测量相比，可获得更多的物理信息。课题设置：课题一、AlGaN基UV发光材料及其器件应用主要研究内容：研究高Al组分AlGaN及其低维量子结构的外延生长动力学；研究采用
25、Mg和Si杂质调制量子阱结构内建电场的机理，探索实现高Al组分AlGaN材料p型掺杂的途径；设计和制备新型AlGaN基应变量子结构，调整极化场、量子态分布、价带顶晶体场分裂，改善量子能级间电子跃迁几率和光学各向异性；研究金属纳米颗粒表面等离激元与量子结构中载流子相互作用。在此基础上研制出具有实用性能的AlGaN基UV发光器件。研究目标：掌握提高p型掺杂效率的方法，实现Al组分40%的AlGaN的p型掺杂，空穴浓度11017cm-3；调控AlGaN基低维量子结构中的应变和极化状态，改善量子阱结构的发光性质，实现Al组分40%的AlGaN基多量子阱结构，紫外发光内量子效率40%；调控高Al组分Al
26、GaN材料价带顶晶体场分裂，提高正面出光和带边光跃迁效率。在此基础上，研制出发光波长280-320 nm、发光功率10 mW的UV-LED。承担单位：厦门大学、北京大学课题负责人：康俊勇教授，厦门大学经费比例：16.5%课题二、AlGaN基UV探测和ISBT双色探测材料及其器件应用主要研究内容：在表面迁移增强MOCVD脉冲原子层外延生长研究基础上，开展基于非平衡态生长的施主型掺杂-受主型背景杂质的n型共掺技术研究，开展利用极化效应改善AlGaN基超晶格p型掺杂的机理研究，在此基础上研制AlGaN基超高速、高灵敏的日盲紫外雪崩探测器件；设计和制备用于ISBT红外探测的AlGaN基多量子阱结构，研
27、究其精细能带结构、子带间光致跃迁及光生载流子输运，在此基础上研制AlGaN基紫外、红外双色探测原型器件。研究目标：通过对表面迁移增强脉冲原子层外延生长方法规律的掌握，有效改善高Al组分AlGaN外延薄膜及其低维量子结构的材料质量；通过对高Al组分AlGaN中杂质行为和p型掺杂的研究，掌握控制背景杂质浓度、有效提高p型掺杂水平的方法；研制出具有高探测灵敏度的AlGaN基日盲紫外APD器件，光响应截止波长280 nm, 外量子效率40%，雪崩增益达104量级；制备出高质量的AlGaN基多量子阱结构，掌握载流子的跃迁和输运规律，实现AlGaN基紫外、红外双色探测原型器件的光电流探测和单片集成。 承担
28、单位： 中山大学、华中科技大学课题负责人：江灏教授，中山大学经费比例：18% 课题三、InGaN基全光谱光伏材料及其器件应用主要研究内容：进行全组分可调InGaN薄膜及其低维量子结构的外延生长动力学研究，掌握高质量InGaN材料的外延生长规律；研究基于短周期InN/GaN超晶格的InGaN数字合金的外延生长方法及其机理；研究载流子调控以及与杂质缺陷的相互作用，探索实现高In组分InGaN材料p型掺杂的途径；研究InGaN基光伏电池结构中光电转换过程的能量损失机理，优化设计和外延生长InGaN基全光谱高效光伏电池结构，实现高效光伏电池原型器件。研究目标：研制出全组分可调InGaN基全光谱光伏材料
29、并揭示全In组分InGaN材料外延生长的动力学规律，实现高In组分InGaN材料的p型掺杂；掌握InGaN材料中光电转换和光生载流子输运机制，大幅度提高其光电转换效率；在此基础上实现InGaN基全光谱高效光伏电池原型器件，其光电转换效率达到15%或国际的最优值，为进一步提高全光谱高效InGaN基太阳能电池的转换效率和应用打下基础。承担单位： 中科院半导体所、北京大学课题负责人：王晓亮研究员，中科院半导体所经费比例：16.5%课题四、自支撑GaN衬底材料制备及其同质外延应用主要研究内容：探索并建立大失配非连续异质厚膜体系的三维应力模型，研究GaN厚膜应力产生及释放机制、断裂机制及其各向异性，研究
30、降低或阻断应力和缺陷的方法和规律，以及衬底分离技术，获得无应力或低应力的GaN厚膜衬底材料；在非平衡高速生长动力学模型基础上，研究反应室尺寸放大技术，开发大尺寸多片机GaN厚膜生长技术；研究GaN衬底上的MOCVD同质外延生长技术，制备新型纯蓝光GaN基LD原型器件。研究目标：通过对GaN自支撑衬底中应力、断裂机制及不同方向控制的深入研究，建立起非平衡快速生长的动力学模型和考虑不连续介质的三维应力的厚膜应力断裂模型，优化出12种2英寸低应力和低位错密度的GaN自支撑衬底材料的实用化HVPE制备方法，2英寸自支撑GaN衬底位错密度小于5106 cm-2；在自制的GaN衬底上同质外延蓝光LD结构，
31、量子阱发光波长420460 nm，实现室温连续激射。承担单位： 北京大学、南京大学课题负责人：史俊杰教授，北京大学经费比例：15.5%课题五、自支撑AlN衬底材料及高质量AlN/蓝宝石复合衬底材料的制备主要研究内容：研究HVPE方法或MOCVD-HVPE复合方法生长AlN厚膜和AlN/蓝宝石复合衬底材料中失配、形核与合并及厚度增加等对材料应力生成和积聚的影响，探索位错组态、点缺陷引起的宏观应变衍化，实现对应力起源的深入理解；研究材料生长条件对应力的影响规律，实现材料应力可控的外延生长；构筑AlN氨热体系的非平衡相图，以HVPE生长AlN籽晶，探索生长低缺陷密度AlN体单晶的途径。研究目标：采用
32、HVPE方法或MOCVD-HVPE复合生长方法实现AlN厚膜材料外延生长，理解HVPE非平衡外延生长动力学过程中的应力演变过程及实现应力可控生长，解决晶片开裂问题，制备出直径1英寸的自支撑AlN衬底，制备出高质量的AlN/蓝宝石复合衬底材料；探索氨热法生长低缺陷密度、高光学透过率的AlN晶体，获得位错密度104cm-2的AlN单晶材料。承担单位：中科院苏州纳米所、中科院半导体所课题负责人：徐科研究员，中科院苏州纳米所经费比例：15.5%课题六、全组分可调III族氮化物半导体材料和器件物理 主要研究内容：研究全组分可调III族氮化物半导体材料非平衡态外延生长过程中应力和极化对材料外延质量和缺陷控
33、制的影响规律，建立微区应力成像系统，研究应力分布与外延结构、极性、组分分凝以及生长工艺的内在关联；探索大失配、强极化量子结构中掺杂工程的物理规律；发展适用于高Al组分III族氮化物半导体的调制光谱技术，研究其光学偏振性质以及与材料能带结构和载流子性质的关联；发展深紫外光致发光时间分辨光谱技术，研究氮化物半导体量子结构中光生载流子的驰豫、输运和辐射复合的发光动力学过程。研究目标：掌握非平衡条件下外延生长的动力学规律和全组分可调氮化物半导体的能带结构随组分演化的规律，建立大失配条件下半导体低维量子结构中自发极化和压电极化的物理模型，揭示应变和强极化对载流子输运、复合、跃迁和材料宏观光电性质的影响，
34、发展出针对全组分可调III族氮化物材料的深紫外时间分辨光谱、微区应力分布成像等几种具有自主知识产权的表征和检测新方法，为相关的材料和器件研制提供物理支撑。 承担单位： 北京大学、中科院半导体所、南京大学课题负责人：沈波教授，北京大学经费比例：18% 课题间相互关系及与总体目标的关系：本项目课题的设置从4个关键科学问题出发，紧密围绕项目的总体目标和主要研究内容，同时各课题间也具有互相配合与支撑的关系。首先，六个课题承担的具体材料或器件研究任务虽然不同，但贯穿着相同的学术思想与研究方法，即以非平衡条件下III族氮化物半导体的外延生长动力学为重点和切入点，力求从物理本质上理解和优化外延生长技术，力争
35、在缺陷控制、应力和极化调控、p型掺杂等关键环节上取得突破。在此基础上系统探索高导带阶跃、强极化半导体体系中电子、光子的运动规律和性能调控，攻克相应的器件工艺关键技术。各课题从不同侧重角度，共同解决本项目面对的关键科学问题，实现总体目标。各课题在关键科学问题研究上的侧重点为：课题1和课题2均研究高Al组分AlGaN材料及其器件应用，面对的材料科学问题有许多共通之处，都涉及本项目的4个关键科学问题；但课题1侧重于UV发光材料与器件研究，课题2侧重于UV和双色探测材料与器件研究，由于器件目标不一样，各自关注的具体低维量子结构材料的特性和功能有一定差异。课题3研究全组分可调InGaN基材料和全光谱光伏
36、器件，也涉及本项目的4个关键科学问题，但由于材料体系上的差异，课题3需要解决的关键科学问题的具体内涵，与前两个课题对比有较大差异。课题4和课题5分别研究自支撑GaN和AlN衬底，涉及第1和第2个关键科学问题，特别是第2个科学问题是其最核心的研究内容。由于有器件应用的内容，课题4还需同质外延相关的低维量子结构，因此部分涉及第4个关键科学问题。课题6围绕全组分可调III族氮化物半导体材料制备及其器件应用的共性物理问题开展研究，并自主发展针对全组分可调III族氮化物材料的表征方法和检测技术，4个关键科学问题均有涉及。 按主要研究内容和课题目标划分，课题1和课题2主要解决AlGaN基UV发光和探测材料
37、及器件应用面临的关键科学和技术问题，同属主要研究内容的第1点；课题3主要解决InGaN基全光谱光伏材料与器件面临的关键科学和技术问题，属于主要研究内容的第2点；课题4和课题5分别解决自支撑GaN、AlN衬底材料及其同质外延应用中的关键科学和技术问题，同属主要研究内容的第3点；课题6主要解决本申请项目各课题面对的共性物理问题，为前面5个课题提供物理支撑，属于主要研究内容的第4点。四、年度计划研究内容预期目标第一年从理论和实验两方面入手探索界面共格生长高Al组分AlGaN低维量子结构的外延方法， 包括AlN/蓝宝石模板的表面成核、迁移增强以及高温生长；设计用于ISBT红外探测的AlGaN基多量子阱
38、及器件结构；研究全In组分InGaN材料外延生长动力学，探索各种生长条件对InGaN外延材料晶体质量和背景电子浓度的影响规律；针对HVPE生长GaN厚膜的特点，在三维应力模型基础上，研究应力的产生释放机制和生长条件对缺陷及应力演变的影响；研究高温HVPE 生长AlN厚膜的模式，搭建适合AlN厚膜生长的HVPE和MOCVD-HVPE设备；构筑AlN氨热体系非平衡相图；研究高Al组分AlGaN、富In组分InGaN中的缺陷微结构，研究高Al组分AlGaN外延薄膜材料中载流子弛豫、输运和辐射复合发光动力学过程和光学偏振特性。揭示III族氮化物半导体应变调控能带的规律；掌握提高AlGaN基量子阱结构界
39、面平整度、实现界面共格生长的外延生长方法，包括原子级平整的AlN/蓝宝石模板外延生长方法；确定AlGaN基日盲雪崩APD外延结构参数和ISBT器件结构参数； 实现全组分可调InGaN材料并有效降低InGaN外延材料的背景电子浓度；初步建立大失配非连续异质厚膜体系的三维应力模型；实现2英寸GaN/Al2O3复合衬底位错密度8107 cm-2；建成高温HVPE和MOCVD-HVPE设备；构建起AlN氨热体系非平衡相图；发展出针对III族氮化物半导体的深紫外时间分辨光谱，实现对高Al组分AlGaN的能带精细结构、激子局域化等性质的初步表征和分析；发表60篇SCI、EI收录论文，申请国家发明专利10项
40、；培养博、硕士研究生10名。第二年设计和制备AlGaN基应变超薄量子结构材料，探索提高其发光内量子效率的途径；研究高Al组分AlGaN的杂质行为调控与p型掺杂以及p-i-n结构APD探测器材料外延过程的应力调控；研究AlGaN基量子阱的精细能带结构、子带间光致跃迁、光生载流子输运、隧穿效应和极化效应等物理过程；研究富In组分InGaN材料的相分离机理，初步开展InGaN外延生长过程中的p型掺杂研究；研究生长条件周期性渐变HVPE方法和GaN厚膜衬底材料的断裂机制及其各向异性，开展激光剥离技术和自分离技术的初步研究；研究AlN厚膜衬底生长方法，搭建氨热法生长设备，探索极低缺陷密度AlN材料的生长
41、途径；继续进行高Al组分AlGaN、富In组分InGaN中的缺陷微结构和缺陷形成机制研究；采用深紫外光谱技术研究III族氮化物半导体的本征光学性质；搭建微区应力分布成像系统。实现Al组分40%的AlGaN基多量子阱结构，紫外发光内量子效率40%；实现低缺陷密度AlN/蓝宝石模板外延生长；掌握p型AlGaN的有效掺杂机理；实现雪崩增益达3103量级，量子效率35%的AlGaN基日盲APD的制备；实现AlGaN基量子阱材料波长3-5 um的ISBT光吸收；实现单一稳定相全组分可调InGaN外延材料，初步实现p型InGaN；获得2英寸GaN厚膜，无裂纹厚度达到300微米，位错密度5107 cm-2；
42、实现厚度为30 mm、直径1英寸的AlN厚膜衬底；建成AlN氨热法生长设备；通过深紫外光谱研究，确定高Al组分AlGaN的价带精细结构；实现对III族氮化物半导体应力分布扫描成像，空间分辨率小于1微米；发表60篇SCI、EI收录论文，申请国家发明专利10项；培养博、硕士研究生10名。第三年探索新型AlGaN基应变量子结构，研究带间跃迁、光学各向异性以及出光效率等物理性质；研究AlGaN基低维结构高场下碰撞电离特性；研究AlGaN基量子阱ISBT结构吸收、发光和微结构特性，设计AlGaN基紫外、红外双色探测单片集成器件版图，优化器件工艺；系统开展InGaN外延材料的p型掺杂研究，优化InGaN基
43、光伏电池结构设计并模拟器件性能；研究有效的GaN厚膜与衬底的分离技术，特别是激光预剥离技术、InGaN牺牲层技术等；研究自支撑GaN衬底上MOCVD同质外延生长，特别是蓝光激光器LD结构材料的研究同质外延；研究厚度为100mm的AlN厚膜的的外延生长；进行AlN单晶的氨热法生长探索；利用深紫外光谱技术研究高Al组分AlGaN及其低维量子结构材料的杂质行为；研究III族氮化物半导体材料，包括GaN、AlN自支撑衬底材料应力分布特性及其与极性、组分分凝以及外延生长条件的关联。揭示AlGaN基应变量子结构中光子行为与出光效率之间的内在关联，提高c轴方向的光提取效率；掌握AlGaN基日盲APD器件制备
44、的关键技术，有效提高器件性能；实现AlGaN基量子阱材料波长3-5 um的ISBT光电流探测，初步实现AlGaN基紫外、红外双色探测的单片集成；获得载流子浓度可控的p型InGaN外延材料，p型InxGa1-xN（x0.3）空穴浓度 21017cm-3； 获得无裂纹面积1cm2的自支撑GaN衬底，位错密度1107 cm-2，室温背景电子浓度81017 cm-3，电子迁移率200 cm2/Vs；实现直径1英寸、厚度为100 mm的 AlN厚膜衬底和小尺寸自支撑AlN衬底制备； 理解并掌握杂质和缺陷对III族氮化物半导体发光性质的影响规律；建立起可用于高Al组分AlGaN、富In组分InGaN光电器
45、件研究的光电流差分谱系统；发表60篇SCI、EI收录论文，申请国家发明专利10项；培养博、硕士研究生10名。第四年研究Mg和Si掺杂调制AlGaN基量子结构内建电场的机理，设计和制备新型的p型导电量子结构；研究极化效应对AlGaN基ISBT结构载流子跃迁和输运的影响，优化AlGaN基AlGaN基紫外、红外双色探测集成器件结构；进一步开展InGaN基光伏电池结构材料生长和器件制备研究；进一步研究自支撑GaN衬底的HVPE生长和衬底分离技术；研究GaN衬底的表面损伤及缺陷对同质外延的LD器件结构生长的影响，优化LD波导层结构及腔结构；进一步研究直径1英寸的AlN自支撑衬底生长；研究氨热法生长中生长
46、参数对AlN晶体质量的影响；基于微区应力分布成像系统，研究AlN和GaN自支撑衬底材料的微区应力分布特征及其物理来源；研究III族氮化物器件在非平衡状态下载流子的生成、复合、输运等特性，发展能精确描述大失配、强极化体系光电器件的物理模型。实现Al组分40%的 p型AlGaN，空穴浓度11017cm-3；建立可靠的APD和ISBT器件模拟模型；大幅提高AlGaN基ISBT探测器件的暗电流、光电流性能；研制出光电转换效率接近同期国际先进水平的InGaN基光伏电池原型器件；获得无裂纹面积4 cm2的自支撑GaN衬底，位错密度5106 cm-2，室温背景电子浓度 31017 cm-3，电了迁移率 30
47、0 cm2/Vs，实现自支撑GaN衬底上波长420460 nm的蓝光LD结构的脉冲激射；实现直径1英寸的自支撑AlN衬底；初步掌握高Al组分AlGaN和富In组分InGaN材料及其低维量子结构非平衡态外延生长过程中的缺陷生成机制和缺陷调控规律；建立起适用于氮化物半导体低维量子结构界面性质研究的新型光谱表征方法；理解并掌握大失配、强极化体系中载流子输运规律。发表60篇SCI、EI收录论文，申请国家发明专利10项；培养博、硕士研究生10名。第五年开展AlGaN基紫外发光器件设计与优化研究；进一步优化AlGaN基日盲APD探测材料与器件；完善AlGaN基紫外、红外双色探测集成器件的材料生长与器件制备
48、参数； 进一步优化InGaN基太阳能电池材料和器件结构，提高器件性能；研究自支撑GaN衬底同质外延的纯蓝光激光器LD，包括有源区结构、新型波导结构和腔结构、版图设计、器件工艺及测试等；实现缺陷密度5104cm-2的AlN单晶的氨热法生长；完善通过深紫外时间分辨光谱和光学偏振性质研究获得的高Al组分AlGaN及其低维量子结构中发光动力学和载流子弛豫规律，以及应变和极化效应对全组分可调III族氮化物半导体光电性质的影响规律；完善大失配、强极化体系下III族氮化物半导体光电器件物理模型。实现发光波长280-320 nm、发光功率10 mW的UV-LED；AlGaN基日盲APD探测器响应截止波长280 nm, 外量子效率40%，雪崩增益达104量级；实现AlGaN基紫外、红外双色探测原型器件的光电流探测和单片集成；研制出光电转换效率不低于15%或达到同期国际领先水平的InGaN基太阳能电池；