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1、项目名称： 半导体固态照明用超高效率氮化物 张荣 南京大学起止年限： 教育部二、预期目标本项目的总体目标： 本项目的提出依据国家中长期科学和技术发展规划纲要，总体研究目标是：面向半导体固态照明长远发 展的战略需求，解决超高效率氮化物 片的若干基础科学问题，揭示高 应变 、强极化半导体异质结 构的能带特征，高度不完整、相分离体系中大注入条件下电子光子互作用、激子行为、 载流子输运和复合机理，大失配异质体系的 应力 调控和外延生长动力学机制，高折射率、多光学界面体系中光子传输及其调控 规律，建立 “功率 件物理 ”的基本模型，研制高质量氮化物半导体量子阱材料和超高效率氮化物 片，并完成 应用验证，
2、提出提高氮化物 光效率的新概念、新结构、新方法，从而全面提升我国半导体固态照明的原始创新能力，增 强我国在这一战略性领域中的国际竞争力。五年预期目标：（1）揭示高应变、强极化半导体异质结构的能带特征和功能调控规律，提出应变和极化特性的合理利用思路和能带设计；研究高度不完整、相分离体系中大注入条件下电子光子互作用、激子行 为、 载流子输 运和复合机理，初步建立 “功率 件物理”模型；掌握高折射率、多光学界面体系中光子 传输及其调控规律，实现 有效提高 抽取效率的新途径。（2）研究大失配异质体系的应力调控和外延生长动力学机制，生长出可用于超高效率氮化物 高 质量氮化物半导体量子阱材料；掌握极性、非
3、极性 6 块单晶生长的基本物理过程，控制晶体生 长过程中的缺陷产生、攀移以及相互作用，研制两种大面积（2 英寸）低位错密度、适合超高效率氮化物作的衬底材料；研究 底的同质外延、新型横向外延的晶体生 长规律，实现 整体位错密度低于 107/ 外延材料。（3）弄清氮化物 效 物理机制，提出通过 料、微 结构对量子态的调控，实现大注入条件下超高效率发光的可行方法，建立大注入条件下“功率 件物理”的基本模型， 为功率照明氮化物 件设计奠定理论基础。（4）研制出超高效率氮化物多量子阱 片，实现 芯片内量子效率不低于 85%，出光效率不低于 80%，以支撑光效不低于 200 的白光功率 件（电功率1W ）
4、的实现。研制宽光谱单芯片白光 光谱覆盖全可见光范围；探索研制偏振 5）5 年发表学术论文 300 篇，其中 录论文不少于 150 篇；在功率件核心技术方面申 请发明专利 40 件以上， 预期 项目执行期间获得发明专利授权不少于 30 件；培养一支半 导体固态照明领域学术思想活跃、创新能力突出、有较 大国际影响的高水平研究 队伍，造就不少于 4 位我国半导体固态照明领域重要学科领军人物和不少于 30 位学术骨干，培养 100 名以上的研究生。三、研究方案1、总体思路发展半导体固态照明的关键是提高氮化物 片的发光效率。影响 个是电子转化为光子的效率，一般也称内量子效率，一个是光子从 部出射的效率，
5、两者共同决定了 片的发光效率。内量子效率通常与载 流子的形 态、 输运（散射）、与缺陷的相互作用，在一定注入水平下的复合机制有密切的关系，因此强烈依赖于材料的能带结构和工作条件。光出射效率主要取决于光子传输过程中所受到的作用，特别是界面散射和折射。本项目的学术思路就是从决定氮化物 片 发光效率的基本因素入手，围绕 本项目的四个关键 科学 问题，展开相关课题 研究。其中第一 课题针对第一、第二、第三关键科学问题，但 侧重于研究大注入条件下氮化物 p 型掺杂效率的提高、电子溢流的抑制和 应的物理起源，在此基 础上探半导体量子阱中激子行为和复合动力学，研究 “功率 件物理” ，在此基础上探索提高片发
6、光效率的新途径，发展新型的 件结构，实现宽广光谱范围内激子的可控复合发光；第二课题 同样主要针对第一、第二、第三关键科学问题，重点研究大注入条件下影响内量子效率的几个重要因素，包括极化和缺陷的影响、索研制超高效率的氮化物 片；第三课题主要 针对第一、第二个关 键科学问题，重点研究 子阱中的应力控制和载 流子动力学过程；第四课题主要针对第三、第四关键科学 问题 ，重点研究氮化物半 导体量子阱作为大失配异质体系的应力调控和外延生长动 力学，发展可用于超高效率氮化物 延生长的同质和匹配衬底，以及具有出光增 强效应的图形衬底，掌握在这些新型衬底上的外延规律；第五课题主要针对 第四关键科学问题，重点研究
7、提高光抽取效率的新途径、新结构，以最终提升 片效率。上述学术思路可以通过下图加以说明。2、技术路线根据上述学术思路，本项目的技术途径可用下图表示率提升要素极化、应变能 带工程结构 设计生长动力学缺陷控制外延生长芯片研制四个关键科学 问题功率件物理光学、电学和结 构性质超高效率氮化物片高应变、强极化半导体异质结构的能带设计与功能调控高度不完整、相分离体系中大注入条件下电子光子互作用，激子行为、载流子输运和复合机制大失配异质体系的应力调控和外延生长动力学高折射率、多光学界面体系中光子传输及其调控规律决定氮化物 片量子效率的主要因素内量子效率 光抽取效率课题一 课题二 课题三 课题四 课题五3、可行
8、性分析氮化物 有与传统半导体 同的鲜明特点，加上技术应用领先于基础研究的历史情况， 导 致材料与器件的一些基本问题始终没有彻底解决。近两年来，氮化物材料与器件的这些基本问题在氮化物大功率 片中的导致的现象越来越突出与明 显，这也更加有利于发现和分析这些基本问题的本质规律。解决大功率氮化物 片发展中遇到的关 键难题，仍然缺乏明确的理论指导，超高效功率 件物模型亟待建立。参加本项目的单位均为在氮化物材料和器件研究方面的优势单位，最早从不同方向开展 氮化物半 导 体材料与器件的研究工作，近五年承担相关重大课题数十项，在 氮化物半 导体发光材料与器件的研究中均有 创新或自己的特色，并取得了国内领先成果
9、，部分成果已达国际先 进水平。本 项目参加单位在国内最早开展氮化物半导体研究，成功制 备出国内第一支氮化物 备出国内第一支氮化物激光器，制备出国内第一片 底，生长出国内第一快高质量 3 英寸 单晶，国内最早开展非极性氮化物材料与器件研究。各 单位分别在氮化物能带工程、极化工程、应力工程、氮化物低 维结 构、复合机制、器件 结构等氮化物材料与器件的多个重大研究领域，进行了系统的研究。通过前期研究，打下了理论基础，积累了实验经验 ，对该领域研究存在的难点和重点问题有了更清楚的认识，为取得重大突破打下了良好的工作基 础。本项目联合中科院半导体所等八家在 氮化物半导体研究方面具有深厚研究基础的单位，采
10、取统一 组织 、合作分工、定期交流、 联合攻关的模式进行研究，这种集各 单位力量协同作 战 的模式利于调动各种有利因素集中解决突出问题，而且避免了各单位各自 为战 、技 术保密和进行重复工作的弊端， 为取得重大突破提供了保证。项目参加 单位 拥有先进的半导体外延材料生长设备、材料分析测试仪器和半导体材料器件工 艺条件（详见“项目实 施所具备的工作条件” 部分），为 氮化物半导体的研究取得重大突破打下了坚实 的基础。以上事实说明，本项目在解决超高效率氮化物 片的若干基础科学问题，建立 “功率 件物理”的基本模型，研制高 质量氮化物半 导体量子阱材料和超高效率氮化物 片等方面实现重大的理论和实验突
11、破是完全可能的。4、创新点本项目最核心的创新点和特色是学术思想、研究方法和实施本项目的技术途径上的创新，主要表现在通 过 氮化物半导体物理、材料和器件的交叉研究，从决定氮化物 片发光效率的最基本科学规律入手，揭示 发光机理，剪裁能带结构，生 长氮化物半导体量子阱材料，最终研制出具有超高发光效率的氮化物完成应用验证。具体 创 新点与特色有：（1）系统研究大注入条件下高度不完整、相分离体系中电子光子互作用，载流子输运和复合机制，深入研究高密度载流子和光子环境下载流子复合路径和复合动力学，初步建立“ 功率 件物理”的基本模型。这是本项目的第一个重要创新点。（2）系统研究极化和应变对氮化物半导体量子阱
12、能带乃至 本物理过程的影响。通过对高质量极性、半极性、非极性氮化物半 导体量子阱进行的系统研究，揭示极化和应变效应对 氮化物 片发光效率的影响 规律，发展合理利用极化和应变效应的新思路和新途径，通 过能带剪裁弱化应变和极化效应对光效率的不利影响。这是本项目的第二个重要 创 新点。（3）系统研究高密度载流子和光子条件下的激子行为和激子稳定性，揭示激子的转化、复合和分解规律，利用束缚激子的组合多 样性， 设计束缚激子的新型宿主，形成新的束缚激子类 型，探索多通道复合发光的有效途径。 这是本项目的第三个重要创新点。（4）通过发光强度和载流子寿命的联合研究，揭示氮化物半导体辐射复合基本规律和影响内量子
13、效率的因素，建立适用于氮化物体系的内量子效率物理模型，发展 测量内量子效率的准确手段。这是本项目的第四个重要创新点。（5）系统研究高折射率、多光学界面体系中微纳结构光子耦合、模式变化机制。研究介观相干体系中的光子相干效 应，光子增益效 应，光与体系格点之 间的相互作用以及非线性微扰效应 ，实现对高折射率、多光学界面体系的光子能带结构调控以及光子衍射操控，通过光学尺度的周期、准周期以及无规纳/微结构的设计和应用，提高发光器件的量子效率。这是本项目的第五个重要创新点。5、课题设置课题 1、氮化物半导体激子束缚调控和高密度激子发光机理研究预期目标：（1）通过进行激子的束缚调控，控制激子的复合行为，实
14、现高密度激子条件下高效发光；（2）研究探索 领域，建立新型 术的科学理论基础；（3）推进新材料、新结构的发展成熟，形成核心自主知识产权；（4）培养研究生 25 名以上，发表高水平学术论文 80 篇以上，申请和获得国家发明专利 10 项以上。研究内容：（1）氮化物半导体束缚激子形成机制；（2）高密度激子复合动力学研究；（3）具有对激子强束缚和高效发光特性的新型氮化物量子结构探索。经费比例：担单位：南京大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所课题负责人：张荣学术骨干：陈鹏、黎大兵、刘斌、江若琏课题 2、高效氮化物 质结构设计与量子效率提升研究预期目标：通过对氮化物外延生长动力学的深入研究以及外延生长过程中缺陷的形成和演化过程的深入研究，建立外延生长成核模型， 研制出超高效率氮化物多量子阱 片，高效氮化物 内量子效率不低于 85%，以支撑光效不低于200 的白光功率 件（电功率1W ）的实现 。获得适用于 P 型料，通过对宽禁带 p 型掺杂理论的深入研究，结合外延生长实验，大幅度提高 p 型掺杂的水平， 掺杂浓度达到 1成研究论文 40 篇，申请专利 4 项，培养研究生 10 名。研究内容：（1）高缺陷密度下氮化物 光机理研究（2）P 型 料掺杂机理研究和生长优化（3）强极化场下应力调控量子阱结构设计（4）大电流下 应（5）载流子阻挡层能带设计和电子过冲研究
