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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：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长，生长窗口狭
2、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，极化行为不仅可以调控AlG
3、aN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，在其近表面区域
4、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响。强极化电场
5、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杂质构造不同内建电场的掺
6、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 alloys)
7、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GaN衬底的MOC
8、VD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光谱技术，研究
9、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族氮化物半导体在短
10、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、实现表面原子级平整
11、、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InGaN的p型掺
12、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 104cm-2。7、
13、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、光子的运动规律和宏观光电性
14、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族氮化物半导体及其低维量子结
15、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反应并易在外延
16、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
