半导体固态照明用超高效率氮化物LED芯片基础研究.doc

项目名称：半导体固态照明用超高效率氮化物LED芯片基础研究首席科学家：张荣 南京大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：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LED芯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LED器件物理”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LED芯片，并完成应用验证，提出提高氮化物LED发光效率的新概念、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LED器件物理”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LED光抽取效率的新途径。（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LED的高质量氮化物半导体量子阱材料；掌握极性、非极性6H-SiC和GaN体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LED制作的衬底材料；研究GaN衬底的同质外延、新型横向外延的晶体生长规律，实现整体位错密度低于107/cm2的GaN基外延材料。（3）弄清氮化物LED光效Droop的物理机制，提出通过LED材料、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LED器件物理”的基本模型，为功率照明氮化物LED器件设计奠定理论基础。（4）研制出超高效率氮化物多量子阱LED芯片，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200lm/W的白光功率LED器件（电功率1W）的实现。研制宽光谱单芯片白光LED，其光谱覆盖全可见光范围；探索研制偏振LED。（5）5年发表学术论文300篇，其中SCI收录论文不少于150篇；在功率LED器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LED芯片的发光效率。影响LED芯片发光效率的因素主要有两个，一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LED内部出射的效率，两者共同决定了LED芯片的发光效率。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LED芯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Droop效应的物理起源，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LED器件物理”，在此基础上探索提高LED芯片发光效率的新途径，发展新型的LED器件结构，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LED芯片；第三课题主要针对第一、第二个关键科学问题，重点研究InGaN/GaN量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LED外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，重点研究提高光抽取效率的新途径、新结构，以最终提升LED芯片效率。上述学术思路可以通过下图加以说明。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LED芯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LED效率提升要素极化、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LED器件物理光学、电学和结构性质超高效率氮化物LED芯片3、可行性分析III族氮化物LED具有与传统半导体LED不同的鲜明特点，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LED芯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LED芯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LED器件物模型亟待建立。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III族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III族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，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LED，制备出国内第一支氮化物激光器，制备出国内第一片GaN衬底，生长出国内第一快高质量3英寸SiC体单晶，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III族氮化物半导体研究方面具有深厚研究基础的单位，采取统一组织、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III族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LED芯片的若干基础科学问题，建立“功率LED器件物理”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LED芯片等方面实现重大的理论和实验突破是完全可能的。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LED芯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LED，并完成应用验证。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LED器件物理”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能带乃至LED基本物理过程的影响。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LED芯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LED发光效率的不利影响。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，实现高密度激子条件下高效发光；（2）研究探索LED新领域，建立新型LED技术的科学理论基础；（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：23.5%承担单位：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LED异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LED芯片，高效氮化物LED的内量子效率不低于85%，以支撑光效不低于200lm/W的白光功率LED器件（电功率1W）的实现。获得适用于LED的P型GaN材料，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GaN p型掺杂的水平，掺杂浓度达到1E18cm-3。完成研究论文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LED发光机理研究（2）P型GaN材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Droop效应（5）载流子阻挡层能带设计和电子过冲研究经费比例：23.5%承担单位：清华大学、南京大学、中国科学院半导体研究所课题负责人：曾一平学术骨干：刘喆、王国宏、王健、谢自力、王军喜、李晋闽课题3、InGaN/GaN量子阱中的应力控制和载流子输运和复合规律预期目标：（1）揭示载流子在InGaN/GaN量子阱中的弛豫、复合机理（2）生长获得辐射复合效率80%的InGaN/GaN有源区材料（3）课题执行的五年内预计发表高质量研究论文60篇，申请发明专利8项，培养研究生20名研究内容：（1）注入载流子在LED中的输运过程（2）InGaN/GaN量子阱中的电声子相互作用（3）准确可靠的内量子效率评测方法（4）InGaN/GaN量子阱中载流子的复合过程及其和内量子效率的关系（5）高内量子效率InGaN有源区的生长经费比例：17%承担单位：清华大学、中山大学课题负责人：陈旭学术骨干：钱可元、杜秉初、刘扬、裴晓将、魏林课题4、用于氮化物外延的新型衬底技术预期目标：深入了解极性、非极性、半极性6H-SiC单晶和GaN厚膜生长的基本物理过程，控制晶体生长过程中的缺陷产生和增殖，获得两种大面积低位错密度、适合大功率、高亮度蓝光LED制作的衬底材料，实现整体位错密度低于107/cm2的GaN基外延材料。发表高质量研究论文60篇，申请发明专利8项，培养研究生20名。研究内容：（1）研究非极性、半极性SiC单晶成核和生长动力学，研究生长过程中生长缺陷特别是微管、穿透位错、层错的形成机理及其对材料光学和电学特性的影响；探索通过改变晶体生长工艺参数，降低缺陷密度的可能性。 （2） 对比GaN在极性、非极性和半极性SiC衬底上的外延生长动力学，研究衬底质量对外延膜质量的影响以及衬底中缺陷在外延层中的遗传规律，以及外延膜中生长缺陷产生、增殖规律。（3） 研究GaN厚膜的成核和生长动力学，揭示GaN材料生长过程中表面形貌与结构质量之间的关系，探索生长具有理想表面形貌的GaN厚膜的工艺参数。研究GaN厚膜中缺陷产生、增殖、相互作用及其湮没的规律。通过缺陷控制生长具有较高结构质量的GaN厚膜。（4）研究GaN衬底的同质外延规律，研究同质外延中表面反应过程、生长表面的原子迁移规律、外延应力的消除和控制、穿透位错等缺陷的湮灭和控制机制，研究新型横向外延技术的晶体生长规律，研究GaN自支撑衬底的表面处理和控制；研究GaN自支撑衬底表面抛光应力的消除及表面形貌控制规律。经费比例：19%承担单位：北京大学、南京大学、中国科学院半导体研究所、山东大学课题负责人：胡小波学术骨干：段瑞飞、修向前、于彤军、吴拥中、于光伟课题5、高折射率、多光学界面（HNMI）体系中光子行为和调控的研究预期目标：以提高器件光出射效率为目标，进行微纳结构光子耦合、模式变化机制研究，探索纳米晶、光子晶体、表面等离子激元等结构和过程中的光子传输行为和规律，实现高达90%光出射效率的结构。发表高质量研究论文80篇，申请发明专利10项，培养研究生25名。研究内容：（1）高折射率多界面体系中光波传播局域模式的传播动力学（2）高折射率多界面体系的光子能带结构调控以及光子衍射操控原理（3）新型光子学器件及改性的实现（4）光与金属纳/微结构的相互作用机制（5）利用软光刻技术在纳/微光子学结构制备中应用的研究经费比例：17%承担单位：北京大学、厦门大学课题负责人：陈志忠学术骨干：黄凯、钟灿涛、张国义、章蓓、陈晓林6、各课题间相互关系根据主要研究内容，本项目设置5个研究课题：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课题2高效氮化物LED异质结构设计与量子效率提升研究课题3InGaN/GaN量子阱中的应力控制和载流子输运和复合规律课题4用于氮化物外延的新型衬底技术课题5高折射率、多光学界面（HNMI）体系中光子行为和调控的研究本项目各课题均从四个关键科学问题出发设置，紧密围绕关键科学问题，与四个关键科学问题有密切联系。各课题间也具有互相配合与支撑的关系。课题一重点研究量子阱中大注入条件下的激子行为与复合发光机制，紧密围绕与提升LED芯片内量子效率相关的第一、第二、第三关键科学问题，研究建立“功率LED器件物理”基本模型，是本项目的重要理论基础，其研究成果对课题二、三均有重要指导意义，发展的新技术将在课题二中集成。在深入理解激子的转化、复合和分解规律的基础上，本课题还将探索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，发展新型的LED器件结构，探索多通道复合发光的有效途径，实现宽广光谱范围内激子的可控复合发光。课题二同样主要围绕第一、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和出光效率的几个重要因素，包括极化和缺陷的影响、p型掺杂效率的提高、电子溢流的抑制和Droop效应的物理起源，在此基础上探索研制超高效率的氮化物LED芯片。本课题的研究与其它几个课题都有重要交叉，是本项目在超高光效氮化物LED研制目标上的一次集成，将应用其它多个课题的研究成果。课题三主要围绕第一、第二个关键科学问题，重点研究InGaN/GaN量子阱中的应力控制和载流子动力学过程，包括对氮化物LED中载流子的输运、弛豫和复合机理的影响。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。本课题与课题一、二均有重要交叉，其关于内量子效率的测试方法不但是本项目的重要创新点，也是课题一、二的基础测试手段。发展的新技术将在课题二中集成。课题四主要围绕第三、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LED外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外延氮化物半导体异质结构的生长规律。本课题与课题一、二、三均有交叉，是上述课题的重要支撑。本课题研究的非极性、半极性匹配和低失配衬底材料将为课题一、三的机理研究提供研究基础，并集成于课题二。课题五主要围绕第四关键科学问题，重点研究提高光抽取效率的新途径、新结构，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LED的出光效率。本课题发展的新技术将集成于课题二。四、年度计划研究内容预期目标第一年探索GaN基复合量子结构制备和实验研究的技术和方法。以MOCVD为主要手段，摸索和解决形成不同尺度与周期的GaN基复合量子结构的技术难点和实验制备手段。研究掌握半导体量子结构中载流子及激子的输运、演化和复合共同规律。设计和制备利于大电流注入条件下，电流均匀分布注入的GaN基LED。重点研究InGaN/GaN量子阱中载流子驰豫过程和局域化对载流子复合的影响，通过对InGaN量子阱局域化的生长控制，提高其内量子效率。研究GaN材料的应力与极化电场的关系。探索和建立电子过冲的理论模型。实验上搭建载流子寿命测试平台；完善辐射复合效率的测试方法。衬底技术研究方面，开展PVT生长SiC单晶和HVPE生长GaN厚膜的温度场设计工作，获得适合SiC单晶和GaN厚膜生长的理想温度场。从理论上开展物理模型的研究，重点研究纳/微介观结构引入对GaN基发光器件导波模式的作用。探索和建立纳/微尺度的GaN基一维和二维光子晶体以及二维光子准晶制备和实验研究的技术和方法。开展激光剥离技术和倒装焊技术的广泛研究，研制n-型GaN面向上的垂直结构LED。进行湿法表面粗化和pss技术的研发，研制相关的表面出光微结构。完成和完善微纳光学结构和器件设计仿真平台的建设，理论上研究周期调制下Bloch波的传播、发射和吸收特性。建立起表面等离子波导的理论模拟平台。建立半导体量子结构在对激子形成和演化中的影响，发现GaN基量子阱发光器件中激子发光的物理机制，为设计大注入条件下高效率复合GaN基量子结构参数制提供依据。初步建立GaN基复合量子结构的设计方案和实验制备手段。完成功率LED芯片电极结构的参数设计和工艺制作条件的确立。了解InGaN/GaN量子阱中载流子驰豫过程和局域化对载流子复合的影响关系。完成载流子寿命测试平台的搭建，建立InGaN/GaN量子阱中载流子输运和复合规律的研究手段。建立针对PVT生长SiC单晶和HVPE生长GaN厚膜的温度场模拟计算方法，在温度场设计的指导下，生长出SiC单晶和GaN厚膜的初样。建立理论模型，给出GaN基纳/微介观结构的结构参数设计与容差要求。初步建立GaN基纳/微介观结构的实验研究手段。结合表面等离子效应QW外延结构、激光剥离转移衬底和倒装焊LED的制备、表面粗化结构和PSS结构等多种技术，实现出光效率为60%的新型LED原型器件。发表研究学术论文46篇，申请专利5项，培养研究生21名。第二年在第一年的研究基础上，采用自组装和干法刻蚀或激光刻蚀等图形技术，设计和制备适用于大注入条件下对激子有强束缚作用的复合量子结构。系统开展GaN基量子结构中大密度条件下的载流子及激子演化复合规律，找出对提高LED内量子效率的有关键作用的机制与参数。在多种衬底材料上进行非极性材料的生长，探索生长高效率偏振LED的优化条件。重点研究P型材料的生长和掺杂机理，研究P型材料的生长优化条件，不同气氛下的掺杂效率，并依据实验结果进行理论分析。重点优化LED的结构，进行LED结构设计，并进行相应的能带计算。研究InGaN/GaN量子阱下方的外延插入层结构对InGaN量子阱应力、位错、组分分布、微区形态和辐射复合效率的影响。进行SiC单晶和GaN厚膜生长工艺的优化工作。研究温度梯度、生长室压力、气体流量对SiC单晶成核质量和生长速度的影响；研究载气流量、NH4和HCl的比例、生长室压力对GaN厚膜成核质量和生长速度的影响。获得正向的SiC单晶和GaN厚膜。探索用电子束曝光和干法刻蚀或激光刻蚀方法形成图形和制备GaN基纳/微介观光学结构和微纳发光器件的可行性。研究利用软光刻-纳米压印技术在GaN基LED芯片上转移微米级介观结构的关键技术，探讨用压印技术实现GaN基LED纳/微结构织构化的技术路线。开展微纳光学结构与激光剥离技术和倒装焊技术相结合的关键技术研究。采用变温SQED磁强计测量材料磁性，确定居里温度，铁磁性和顺磁性，易磁轴方向，矫顽力，科尔效应等。利用FDTD方法，计算光在光子晶体带隙波导中传输过程；实现金属波导增大Purcell系数、增强Purcell效应的新方法，实验验证金属波导对于QW发光效率的增强作用。进行HVPE厚膜的生长，激光剥离,优化同质衬底的LED生长条件。开始降低光吸收系数的外延结构和光学结构研究。初步研究湿法腐蚀的反应机理和PSS位错产生和演变规律。研究纳米晶体的合成和组装方法。研究纳米晶和光子晶体相互作用机理。获得不同量子结构对内量子效率提高的内在关系和规律。获得1到2种明显改善束缚激子和辐射复合的量子结构。完成大注入和高密度条件下，对现有氮化物LED器件中载流子注入和激子复合规律的系统研究，初步建立大注入条件下“功率LED器件物理”的基本模型。应用复合量子结构于GaN基LED，初步得到多能级发光LED和偏振LED。获得高质量的P型外延材料，P型GaN材料的掺杂浓度大于1017cm-3。在能带计算的基础上获得优化的LED结构设计。揭示InGaN量子阱应力调控的机理。获得辐射复合效率大于70%的InGaN量子阱样品。生长获得较好晶体质量的SiC单晶和GaN厚膜，SiC单晶位错密度小于105/cm2,微管密度小于30/cm2, GaN厚膜的位错密度在108/cm2量级。获得不同微纳光学结构对发光器件性能提高的内在关系和规律。完成微纳光学结构带隙波导光耦合器的设计、工艺制作、特性测试；完成有源带隙波导的设计及工艺制作。优化金属波导的设计与工艺，增大电注入下QW的发光效率。揭示CdTe纳米晶和光子晶体对量子阱有源区的作用机理。获得1到2种吸收明显改善的外延结构或光学结构。获得表面粗化的较为可控的腐蚀条件，能够实现对腐蚀角，尺寸，均匀性的初步控制，得到PSS结构对导波模式的影响规律。获得出光效率为75%的新型LED原型器件。发表研究学术论文60篇，申请专利7项，培养研究生20名。第三年在总结前两年的工作基础上，进一步研究结合复合量子结构的GaN基LED的实现方法，结合芯片工艺，制备新型LED芯片。重点研究LED器件的Droop效应，研究该效应与材料之间的关系。根据大注入条件下的载流子疏运和激子复合规律，设计解决LED效率Droop难点的有效途径，减弱或延迟Droop的影响或发生。完成功率芯片的的基本设计、研制、特性测试。继续优化P型材料生长，提高掺杂效率，并开展自支撑衬底上的GaN LED材料生长工作，优化材料质量。研究InGaN/GaN量子阱中的微区形态和辐射复合中心、非辐射复合中心的关系；研究辐射复合中心和非辐射复合中心对载流子俘获、复合的影响。深化生长SiC单晶和GaN厚膜的机理研究，通过优化工艺参数或利用缺陷工程，获得低位错密度的SiC单晶和GaN厚膜。并初步在研制的新型衬底上进行外延生长的研究。研究GaN基纳/微介观结构的透射、反射和散射行为以及引入LED后导波模式的的色散关系。探索解决制备深亚微米介观光学结构GaN光子晶体的微加工与压印技术难点的有效途径。研制一种具有微结构或光子晶体结构的高出光效率的LED。完成纳微光学结构带隙波导光耦合器的设计、工艺制作、特性测试；完成有源带隙波导的设计及工艺制作，测试其增益特性；纳米晶高效下转换材料的应用机理研究。纳米晶集成组装研究。Urbach带尾态的表征，进一步研究极化电场下的光子的吸收，研究微纳结构的光子吸收。研究表面粗化对光子传输模式的控制。研究PSS微结构的界面的反射和吸收，研究其对导波模式的影响。获得不同复合量子结构对发光器件性能提高的内在关系和规律。优化功率LED芯片的设计和制备工艺，提高大电注入下LED的发光效率。了解Droop效应的作用机理，获得降低Droop效应的途径，降低Droop效应的影响。获得1到2种明显提高内量子效率的芯片器件结构。提高P型外延材料的质量和掺杂效率，P型GaN材料的掺杂浓度大于1018cm-3。获得辐射复合效率大于70%的InGaN量子阱样品。获得的GaN基外延材料的整体位错密度控制在108/cm2量级。获得不同纳微光学结构对发光器件性能提高的内在关系和规律。完成纳微光学结构带隙波导光耦合器的设计、工艺制作、特性测试；完成有源带隙波导的设计及工艺制作。优化金属波导的设计与工艺，增大电注入下QW的发光效率。制备具有SP的LED结构。揭示CdTe纳米晶和光子晶体对量子阱有源区的作用机理。获得1到2种吸收明显改善的外延结构或光学结构。得到表面粗化的较为可控的腐蚀条件，能够实现对腐蚀角，尺寸，均匀性的初步控制。得到PSS结构对导波模式的影响。获得出光效率为80%的新型LED原型器件。发表研究学术论文67篇，申请专利10项，培养研究生19名。第四年进一步修正完善大注入条件下“功率LED器件物理”的基本模型。着力探索实现基于复合量子结构的GaN基功率LED的新途径。继续研究多能级发光和偏振发光的高效发光机理。包括探索研究结合局域极性的复合量子结构的发光机理。在芯片结构上，结合电流的均匀注入，研究新型电极微纳结构增强出光。重点研究强极化场下应力调控量子阱结构设计。重点研究垂直结构的材料和芯片工艺。研究载流子阻挡层能带设计和电子过冲。在上一年工作的基础上，重点优化LED的结构，结合外延生长动力学提高LED的效率。研究InGaN量子阱中的注入载流子的输运、复合随温度、注入密度的变化规律。进行非极性或半极性SiC单晶的生长研究工作；探索不同籽晶(宝石衬底外延和SiC衬底外延籽晶、自支撑GaN籽晶)条件对HVPE生长GaN厚膜质量的影响。从物理上和实验技术上开展深入研究。进一步改进纳/微结构的制备技术和测试手段，优化设计和模拟计算，着力探索此类新型基于纳微光子学的GaN发光二极管走向应用的可行途径。借助FDTD等多种数值计算方法，设计多种介质波导与光子晶体带隙波导的耦合方式，明确低损耗、高效率的耦合方式。继续研究纳米晶高效下转换材料的应用机理研究，研究纳米晶与GaN基光子晶体结合的结构和机理。研究金属电极微纳结构增强出光 和自发辐射的机理。成功研制一种结合内部复合量子结构和外部新型电极的高亮度GaN发光二极管。实现多能级发光和偏振发光器件，并得到各种性能的参数指标。获得光效高于130lm/W的白光LED。完成高效率LED的垂直结构芯片工艺开发。揭示大注入条件下，GaN基LED内量子效率降低的机理。获得的非极性或半极性SiC单晶的位错控制在104/cm2量级；HVPE生长的GaN厚膜位错密度小于107/cm2。实现微纳光学结构应用的优化，将GaN发光二极管出光效率提高 1 - 2倍。研制成功一种可走向应用的新型基于纳微光子学的高亮度GaN发光二极管。探索边发射有源发光器件及其集成实现的可能性。实现SP LED原型器件，并得到各种性能的参数指标。实现纳米晶与光子晶体、QW的结合，初步清楚其相互作用机理。获得出光效率为85%的新型LED原型器件。发表研究学术论文75篇，申请专利9项，培养研究生20名。第五年进行基于“功率LED器件物理”的基本模型，对新型GaN发光LED的电和光进行综合性优化设计，解决效率Droop的瓶颈问题。优化复合量子结构结构，改善芯片结构，降低芯片内吸收，制备高效率多能级LED和偏振LED的原型器件。深入研究氮化物外延生长动力学以及外延生长过程中缺陷的形成和演化过程。深入研究外延生长的动力学工程。对量子阱的外延生长技术做综合优化；完善InGaN量子阱中的载流子输运、复合模型。筛选出质量最高的SiC单晶衬底和GaN厚膜进行外延生长的研究，研究衬底质量对外延膜质量的影响规律及衬底中的缺陷在外延膜中的遗传规律。进行基于介观光子学的新型GaN发光LED的电、光和热综合性优化设计，在解决出光效率低下的瓶颈问题的同时，探索高效与良好散热性的光子集成化LED阵列的研制及其相关GaN基介观光子学器件物理问题。优化光子晶体等微纳光学结构，纳米晶，和金属微纳结构，同时改善外延结构，降低吸收，综合上述研究，制备超高效率白光LED的原型器件。光子晶体和稀磁半导体对偏振光的调控作用，调控机制，方式及其在器件应用的原理。总结研究成果，撰写研究报告。研制成功一种有特色的超高效率、大注入稳定工作的LED原型器件。探索并提出含局域极性设计的复合量子结构的新型多能级LED和偏振LED原理，器件结构设计与制备，并给出初步实验结果。研制出超高效率氮化物多量子阱LED芯片，高效氮化物LED的内量子效率不低于85%，以支撑光效不低于200lm/W的白光功率LED器件（电功率1W）的实现。获得两种大面积低位错密度、适合大功率、高亮度蓝光LED制作的衬底材料，实现整体位错密度低于107/cm2的GaN基外延材料。研制成功一种有特色的可走向应用的新型基于纳微光子学的高亮度和高性能的GaN发光二极管阵列。探索稀磁半导体偏振光LED与光子晶体相结合，对偏振光调制的原理，器件结构设计与制备，并给出初步结果。获得超高效率、大注入稳定工作的LED原型器件。获得出光效率为90%的新型LED原型器件。发表研究学术论文72篇，申请专利9项，培养研究生20名。一、研究内容（一）、关键科学问题围绕氮化物LED效率的提升，本项目将重点研究解决以下四个关键科学问题：（1）高应变、强极化半导体异质结构的能带设计与功能调控宽禁带氮化物半导体不但在0.7-6.2eV宽广范围内有可调的直接带隙，其区别于其它化合物半导体的一个显著特征是这一类宽禁带半导体具有超常的压电极化和自发极化效应，其数值大小可以和传统的铁电材料相比拟。同时由于其合金材料的晶格常数可在较宽的范围内变化，且缺乏同质外延衬底，包括量子阱在内的氮化物异质结构一般通过在异质衬底上外延生长获得，因而氮化物异质结构中通常存在较大的应变，这也是产生强压电极化效应的重要原因。应变对应着氮化物材料结构的改变，其能带受到调制, 从而改变电子的能态和量子跃迁的选择规律。应变引起的压电极化和界面自发极化不连续导致的极化电荷能改变能带的倾斜度，从而改变整个能带的形状。合理利用这些特性，能大大改进LED器件的性能，如有效诱导高浓度载流子，改变两种载流子的注入不对称程度。而这一效应在许多方面将严重影响LED芯片的发光性能，如沿生长方向的极化电场，会引起LED量子阱中电子和空穴波函数在实空间的分离，从而降低复合效率，并导致发光波长随驱动电流的变化。应变和极化已经成为半导体能带工程的新的自由度，成为器件功能调控的新手段。对氮化物半导体应变和极化性质进行设计和利用，从而调节材料的能带结构，调控器件功能，是氮化物半导体研究中极其重要的方向。根据宽禁带氮化物半导体材料的物理特性,特别是高应变、强极化的特点，从氮化物半导体低维结构的结构特性、电子性质、光电功能的内在关联出发，依据能带工程、极化工程和应力工程的理念，研究氮化物半导体能带调控方法和调控规律，以实现对氮化物半导体低维结构中量子形态的有效调控和性能剪裁，改善LED器件性能，研制新型并有广阔应用前景的原型量子器件，是本项目首先面对的关键科学问题。（2）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氮化物半导体通常采用异质外延方法获得，且在高温下生长，因而大晶格失配和热失配在外延层中留下了高密度的位错和缺陷，从而在材料带隙中留下大量的深能级，这些能级对量子阱中载流子的输运和复合有重要的影响，常常导致载流子的非辐射复合或异波长光子辐射，客观上造成载流子的损耗。同时，氮化物合金材料由于其固有的热力学性质，在生长过程中容易出现通常称之为相分离的现象，即材料中出现非均匀的组分分布。这种相分离体系对电子的能态将产生直接的影响，在能带边缘产生大量的局域态，从而对载流子的输运和复合产生决定性的影响。上述效应通常在小注入情形特别显著，已被较为广泛地研究。但是，超高效率氮化物LED为了获得大功率输出，通常在大电流密度驱动下工作（大注入情形），这时的LED器件的工作状态、发光机理及演变规律既受氮化物半导体量子阱固有的大应变、强极化、高缺陷密度等特性的影响，同时更多地受到大注入条件下高浓度载流子和光子相互作用的制约。大注入情形下，激子的行为与小注入时有根本的不同，构成激子的电子、空穴间的相互作用相对弱化，客观上造成激子的变化和解体，对载流子的复合产生根本性的影响。大注入条件下，深能级和带边局域态常常被饱和，退局域化效应上升为主要矛盾之一。同时，对载流子浓度存在高度依赖关系的其它物理效应，如作为三粒子过程的俄歇复合效应和载流子脱离量子阱束缚的电子溢流效应变得更加突出。从氮化物LED器件来说，发光效率出现被称之为LED Droop的变化，即在较小的电流驱动下，LED的光效一开始呈快速上升，但很快（通常对11mm2的管芯在几到几十mA）达到峰值，并随之开始单调下降。这一效应导致大功率LED的实际工作条件与器件本身的最佳工作条件之间出现脱节，大驱动电流下器件的发光效率下降，节能效果打了折扣。传统的半导体器件物理对描述小注入情形下的LED发光机理比较适用，但对大注入下LED的发光机理，尤其是氮化物半导体量子阱这一高度不完整、相分离体系中载流子的输运和复合过程仍然缺乏研究。本项研究的另一个关键科学问题就是高度不完整、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。通过本项研究，揭示大注入条件下LED器件的电子、光子行为规律，掌握LED Droop的物理机制，建立“功率LED器件物理”，为未来发展超高效率氮化物LED器件奠定科学基础。（3）大失配异质体系的应力调控和外延生长动力学一般而言，半导体异质结构材料的结构性能和光电性质在一定程度上是由两种材料物理化学参数的差异和能带偏移决定的，而且随着异质结构材料维度的降低和尺寸的不断减小，不但量子尺寸效应更加显著，而且表面和界面效应也表现越来越突出，必将对材料的光电性质及器件性能产生重要影响。对氮化物半导体来说，由于缺乏同质衬底，其发光器件的核心结构量子阱通常只能由异质外延方法获得，使得上述问题更加凸显。氮化物半导体的匹配和低失配衬底技术还很不成熟，大失配条件下的异质外延导致大量的缺陷，外延生长所需的高温条件也容易引起更大的热失配，同样成为大量缺陷产生的主要原因。缺陷是半导体光电性质的决定因素之一，抑制这些缺陷是氮化物半导体研究的重大课题。同时，氮化物半导体的禁带很宽，缺陷能级通常较深，较宽的禁带中可容纳的能级类型更多，常常出现多能级缺陷，缺陷的表征与指认更加困难，其对材料物性的影响也更加复杂。此外，宽禁带半导体的键能一般较强，缺陷的形态和运动规律与传统半导体有很大的不同，研究这些规律成为半导体材料科学的新课题。因此，发展可用于氮化物半导体外延生长的同质衬底或匹配衬底对氮化物LED器件的发展就显得尤为重要。从材料外延生长来说，对半导体异质结构材料制备中生长动力学过程的理解和精确控制是获得优质异质结构材料的科学基础，是氮化物半导体LED研究中又一个具有突出意义的重要科学问题。（4）高折射率、多光学界面体系中光子传输及其调控规律由于折射率的差异，光在界面上会发生全发射现象，折射率差异越大，全反射临界角越小。在多平行界面的LED结构中，光的出射严重受制于上述全反射现象。GaN具有2.3以上的折射率（随波长略有变化），与空气折射率差异很大，出射角比较小（全反射角不超过24o），大量载流子复合生成的光子无法从LED中引出。此外，由于氮化物材料固有的高硬度、耐腐蚀的特性，造成可加工性差，因此难以制备出传统化合物LED常用的出光结构提高光抽取效率。这种情况下，一些新的提高出光效率的概念和方法开始引起人们的关注，被期待用于氮化物半导体LED光抽取效率的提升。目前受到较多重视的新型出光方法主要包括：表面粗化以及图形衬底、光子晶体、表面等离激元等，其中部分方法已在氮化物LED中取得了初步的成效。从提高LED的光效来说，光抽取是整个能量流过程中极为重要的一个环节，对高折射率、多光学界面体系中光子传输规律的研究与把握，揭示光子晶体、表面等离激元等与LED发光主体间的相互作用，探索有效提升LED光抽取效率的新途径，是本项目着力解决的又一个关键科学问题。（二）、主要研究内容本项目的主要开展以下五个方面研究内容：1、高密度载流子注入条件下的束缚激子及其复合机制研究激子是由库仑作用结合在一起的电子空穴对，激子对描述半导体的光电特性有重要意义。自由载流子结合在一起形成自由激子；自由激子束缚在特定中心上形成束缚激子。激子效应对半导体中的物理过程和光学性质具有重要的影响。作为固体中的一种元激发，其状态与母体材料的电子能带性质和外场的作用紧密相关。其中束缚激子在半导体发光中有非常重要的地位。束缚激子的波函数在空间上是局域化的，因而发光跃迁的动量选择定则大大放松，无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率。这样，发光效率将大大增强。然而，温度、电场、势场、载流子浓度等因素显著影响激子稳定性，对发光器件来说，特别是对一些需要在室温下大浓度注入条件工作的器件来说，将产生一些不利的影响。与半导体体材料相比，在量子化的低维电子结构中，激子的束缚能要大得多，激子效应增强，而且在较高温度或在电场作用下更稳定。氮化物半导体异质结构具有强极化和大应变的特性，材料本身禁带宽。因此需要研究：（1）氮化物半导体低维结构中束缚激子形态和形成机制。在电场的作用下，电子和空穴分别向相反方向运动，因而当半导体处于电场作用下时，激子效应将减弱，甚至由于电场离化而失效。通过该项研究，进行能带设计，调控低维结构中的应变和极化电场状态，制备利于强化激子束缚的低维结构。（2）高密度条件下的激子复合动力学。而当结构中载流子浓度很高时，由于自由电荷对库仑场的屏蔽作用，激子也可能分解。在高密度载流子条件下，通过研究激子束缚状态的维持和演化，以及载流子多种复合体的复合动力学，获得高载流子密度条件下的高效率辐射复合途径。2、III族氮化物超高效率LED器件设计及Droop机制研究GaN材料研究的兴起是以的突破为起点，以蓝光LED和蓝光激光器的研制成功为标志。超高效率LED器件的实现需要对器件异质结构和高效率电光转换机制进行深入研究。作为宽禁带半导体，氮化物异质结构中缺陷密度高，应变极化效应强烈，这些都影响LED工作时的载流子有效注入和辐射复合。GaN基材料具有很强的自发极化和压电极化电场，这使得在低维的量子阱材料中，电子势是倾斜的，这一效应对电子态以及电子能级的改变非常显著。使得电子波函数和空穴波函数空间的重叠积分eh大大减小，而辐射复合效率R2eh，因此导致辐射复合效率的降低，从而大大降低了内量子效率。尤其在大注入条件下，载流子密度很高，载流子相互之间的作用和载流子与缺陷的作用都明显增强，发光效率对器件结构的本身参数的依赖关系更加敏感，所有这些内在因素的不完美导致目前LED发光的一个严重问题，即在大电流注入条件下的量子效率下降现象。因此，提高LED器件的发光效率需要从两方面进行研究：一是基于异质结构的研究。通过研究掌握氮化物异质结构中载流子输运和复合的物理过程，优化LED结构设计，包括考虑应力、极化对能带的影响，考虑电子、空穴的扩散长度等进行能带调控，从而改善载流子，尤其是空穴的注入。本研究重点考虑引入新外延量子阱结构和工艺方法，理论上建立最优化物理模型，通过调节组分使得阱中和垒中的极化电荷匹配，量子阱底部和顶部残存的极化电荷会分别被n型和p型掺杂补偿掉，从而消除极化电场。此外，预阱结构、组分渐变插入层、高低温插入层、电流扩展层、电子阻挡层等设计也可以调节应力场分步，调控强极化场对量子阱发光的影响，优化发光效率。二是深入研究大电流注入的条件下量子效率下降的规律和本质，研究将通过设计不同阱结构，测试分析何种机制更具竞争力，从而优化有源区结构，具体方法有：（1）通过减少阱间势垒宽度、降低势垒高度、对势垒进行一定程度的p掺或采用非对称MQW为空穴提供一定的能级梯度，实现MQW中空穴有效注入，使空穴分散到更多的QW中，一方面有利于减少Auger复合，同时也有利于抑制电子电流泄漏。（2）调控合适的阱宽，增加阱宽可使单个QW容纳更多的载流子，从而减弱俄歇复合，但是增大阱宽对导致电子空穴进一步分离而降低辐射复合，因此需要摸清合适阱宽条件，此外，采用AlInGaN四元合金或非极性面以减少极化效应。（3）增加Al