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AlGaN、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1018cm-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...
