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 张荣 南京大学 2011.1至2015.8 教育部  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；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、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、技术根据上述学术思路，本项目的技术途径可用下图表示