半导体固态照明用超高效率氮化物LED芯片基础研究Word文档格式.docx
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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。
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
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
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GaNp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。
(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
清华大学、南京大学、中国科学院半导体研究所
曾一平
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
(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
(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
17%
清华大学、中山大学
陈旭
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
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。
(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。
19%
北京大学、南京大学、中国科学院半导体研究所、山东大学
胡小波
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
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。
(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
北京大学、厦门大学
陈志忠
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3.InGaN/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。
二
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。
三
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
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