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 AlG
2、aN、高 In 组分 InGaN 材料的制备均 为非平衡条件下的外延生长，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
3、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
4、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，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
5、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
6、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
7、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 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
8、 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 GaN 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
9、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
10、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
11、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
12、（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110 17cm-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 InGaN 的 p 型掺杂，空穴浓度 21017cm-3；实现 光
13、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510 6 cm-2，室温下本征载流子浓度51016 cm-3 ，电子迁移率500cm 2/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
14、密度 5 x 10 4cm-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
15、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 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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、 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 GaN 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。
21、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
22、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
23、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 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
24、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AlN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
25、 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
26、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
27、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110 17cm-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AlGaN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
28、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，研究其精细能带结构、子带间光致跃迁及光生载流子输运
29、，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
30、。 承担单位： 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
31、目标：研制出全组分可调InGaN 基全光谱光伏材料并揭示全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
32、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
33、方法，2英寸自支撑GaN衬底位错密度小于510 6 cm-2；在自制的GaN衬底上同 质外延蓝光 LD结构，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
34、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10 4cm-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
35、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
36、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，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
37、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
38、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
39、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
40、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 A
41、lN 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810 7 cm-2；建
42、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，实现对高研究内容 预 期目标分 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。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；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
43、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
44、单一稳定相全组分可调InGaN 外延材料，初步实现 p 型研究内容 预 期目标长过程中的 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。InGaN；获得 2 英寸 GaN 厚膜，无裂纹厚度达到 300 微米，位错密度510 7
45、 cm-2；实现厚度为 30 m、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
46、版图，优化器件工艺；系统开展 InGaN 外延材料的 p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；研究内容 预 期目标型掺杂研究，优化 InGaN 基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
47、光器 LD 结构材料的研究同质外延；研究厚度为 100m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。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 210 17cm-3； 获得无裂纹面积1cm 2 的自支撑 GaN 衬底，位错密度110 7 cm-2，室温背景电子浓度810 17 cm-3，电子迁移率200 cm2/Vs
48、；实现直径1 英寸、厚度为 100 m 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。研究内容 预 期目标第四年研究 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
49、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110 17cm-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510 6 cm-2，室温背景电子浓度 31017 cm-3，电了迁移率 300 cm2/Vs，实现自支撑 GaN 衬底上波 长 420
