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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 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
