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1、国家自然科学奖推荐书CAS国家自然科学奖项目公示( 2016 年度) 一、项目名称半导体晶格失配外延方法及相关表征手段研究二、专家推荐意见三、项目简介（限1200字）项目属于材料科学中的半导体材料领域。该项目针对在微电子和光电子领域中重要材料SiGe和GaN的生长和表征方法进行了长期的研究，做出了国际上有影响的工作。主要科学发现如下：1）发明了利用高点缺陷密度层的高效阻挡位错独特方法Si的电子迁移率是空穴的2.5倍，使得CMOS中电子和空穴速度不匹配。在SiGe上生长的Si薄膜的所谓应变硅技术，可以解决此问题。所以Si基上高质量SiGe薄膜的制备至关重要。1991年贝尔实验室改进了组分渐变方法

2、来制备SiGe，被当时国际上认为最成功的技术。但其关键参数都不能满足器件制作要求。本项目于1996年在国际上首次提出了在Si衬底上引入低温外延生长厚度仅50nm的高点缺陷密度Si层（LT-Si）的独特高效位错阻挡方法，获得了性能远优于贝尔实验室并满足器件要求的SiGe薄膜【他引2、3、4】。二种方法的示意图及主要材料参数对比如下：该工作首次揭示了点缺陷能提供低能量的位错成核中心，起了收纳失配位错，捕获增殖位错的作用，从而利用点缺陷这一材料科学中的负面因素，成功获得了高质量的材料，为位错阻挡提供了一个全新的思路，在材料科学上有深层次的意义。文章发表次年，著名学者Kasper在评论文章中就肯定了此

3、方法【他引4】。之后国际上发表的有关SiGe的评论性文章几乎无例外地引用并肯定本项成果。在综评文章中，Brunner教授指出:富缺陷的Si层的方法是一新颕(novel)技术【他引5】。在之后的20年中，引用没有间断过，并被写入“半导体半金属”丛书中。其应用也已得到验证【他引1】。2）首次用量子点实现了单芯片白光LED这一国际上的研究热点作为新一代光源的白光发光二极管(LED)，市场上是用蓝光LED加上黄色熒光粉合成白光，但其有显色指数差、封装工艺复杂以及黄、蓝光比例隨角度变化等缺点。由单一芯片直接发出白光一直是国际上的研究热点。本项目提出了用量子点实现单芯片白光LED的方法。 关键点是在蓝光L

4、ED结构中，插入了InGaN应力予置层，从而促使量子阱InGaN发生相分离，形成富In的量子点。量子点发出黄光，其与量子阱的其它部分发出的蓝光混合成白光。高分辨透射电镜研究证实了富In量子点的存在。电熒光实验指出，黄、藍光强度比不隨注入电流变化，这对实际应用很重要。Compound Semiconductor杂志在“Research Review”专栏进行了报道。著名学者,金属有机化合物汽相淀积发明人G.B.Stringfellow教授在评論文章中评价用InGaN的相分离获得白光发射的方案很有前途，并认为用应力予置层促使相分离的方法是非常新颖和有希望的。【他引8】。3）开创性地发展了研究薄膜表

5、面局部应力及计算膜中位错密度的新方法将微区喇曼光谱扫描成象定量分析用于研究异质薄膜生长中普遍存在的表面十字网格，澄清了对其起因的争论，判明了是由失配位错引起的应力所产生。国际上对用该测量方法研究局部应力的有效性及实验结果予以了充分的肯定【他引5、7】。首次提出了利用高倾角晶面X射线衍射摇摆曲线与扫描曲线宽度平均值来测量GaN外延薄膜扭转角和位错密度的方法。避免了以往繁琐的计算和模拟，得到了国际上的认同和普遍使用【他引6】。8篇代表性文章他引423次，单篇最高他引87次。20篇核心论文他引总数709次。四、客观评价（限2页）一、用低温生长方法引入高点缺陷密度的位错吸纳层的文章发表后的第二年，德国

6、的SiGe材料领域专家Kasper教授在评论文章中就引用了该技术：“在晶格失配大于1（Ge组分大于25）时，认为用驰豫的缓冲层和非平面的表面形貌来调节应变是主要方法。在Si衬底上生长一层弛豫的SiGe缓冲层被考虑为一个新技术，被称为虚拟衬底，其晶格常数不同于Si衬底。用这虚拟衬底技术调节了在其上的生长层的应变。但是，渐变组分缓冲层技术所提供的应变调节缓冲层，被穿透位错和（或）缓冲层太厚的因素所困扰。陈等人【代表性论文1】提出了一种低温（LT）Si缓冲层的技术，即在衬底及SiGe层之间插入一高点缺陷密度的低温Si层。结构研究指出应变集中在LT-Si层中，而不在SiGe层中，应力完全弛豫了，而且位

7、错被抑制在厚度适中的（0.3 m）的SiGe层之下。”（他引文4）。首次肯定了高点缺陷密度的覆盖层的位错阻挡及促进应变释放的作用。在之后的SiGe综述文章中，几乎无例外地引用并肯定了这高点缺陷密度插入层技术。2001年出版的“半导体半金属”丛书中描述了该技术：“最近，发展了一个能获得高质量SiGe层更有希望的技术【代表性论文2】，并且它的应用已得到验证。在这方法中，生长SiGe缓冲层层之前，在400的生长温度下、在Si衬底上，淀积50 nm厚的Si层，这一低温（LT）Si层会起着位错吸收体的作用，因此在这LT Si层上可以获得高质量500-nm的SiGe外延层，与用以往的梯度法获得的缓冲层相比

8、，此方法获得的缓冲层不仅位错密度低得多，而且表面粗糙度也好得多。在这用LT方法生长的膺衬底上制备了以p-型Ge作沟道的调制掺杂结构，报导的室温迁移率为1300 cm2/V s，这值是p-沟道Si MOSFETs中迁移率的十倍”（他引文1）。2002年德国K. Brunner教授在发表于Reports on Progress in Physics的评述文章中“一般说，位错的形成、滑移、钉扎会引入高密度的穿透位错（109 cm-2），其与淀积的SiGe层相交，劣化了它的质量。通过渐变Ge组分的方法淀积厚的SiGe缓冲层，或者使用创新的离子注入或者低温淀积【代表性论文2】的方法形成富缺陷的Si层的技

9、术所生长的薄的缓冲层，由此将穿透位错的密度降至典型的105 cm-2”（他引文3）。之后，2005年Y. Shiraki和A. Sakai教授发表于Surface Science Reports的长篇评述文章中，专门有一节描述低温生长方法。文章首先评述了用梯度组分变化技术生长SiGe缓冲层的诸多不足，包括“所需厚度太厚，不仅费时费料，而且含Ge合金的热导差，影响器件性能。”之后介绍了低温生长方法：“为了减少层厚度及改进缓冲层的质量，【代表性论文1、2】提出了这种低温（LT）方法。此方法中，在生长相对薄的SiGe缓冲层（约500 nm）之前，在400的低温度下生长了一薄（比如50 nm）Si层。

10、虽然SiGe缓冲层的厚度比组分梯度的方法薄得多，但结果发现与组分梯度方法相比较，表面粗糙度好得多，位错密度低得多，而驰豫度几乎相同，好于80。当Ge的组分是30时，低温生长方法得到的表面粗糙度为1.5 nm，位错密度约为105 cm-2，而用组分梯度法得到的是10 nm及107 cm-2。”（他引文2）。较近期在2009年，法国I. Berbezier和A. Ronda在发表于Surface Science Reports杂志上的评论文章也引用了该技术：“有报导提出在生长Si1-xGex（x为直接为所需之值）之前，在Si衬底上淀积一层充满点缺陷的LT Si薄层，它有效的充当了位错的成核中心。获

11、得了100%弛豫的0.5 m的Si1-xGex层（x=0.15和x=0.3），其表面平整（均方根粗糙度2 nm），并且位错密度低（x=0.15时，105 cm-2）【代表性论文4】。此方法主要是用分子束外延方法来减少驰豫的缓冲层所需的厚度。它能使大部分位错成核在Si和LT Si的界面上，使失配位错完全钉扎在界面，从而减少淀积厚度。”（他引文5）二、用量子点实现了无熒光白光发射的文章发表后，著名学者,金属有机化合物汽相淀积(MOCVD)发明人G.B.Stringfellow教授在题为Microstructures produced during the epitaxial growth of I

12、nGaN alloys评論文章中（他引文8）认为现在使用的获得白光的方法都有缺点，利用InGaN的相分离获得白光是很有前途的。并认为用应力予置层来促进相分离的方法是新颖的和有希望的(are novel and promising)三、有关异质外延薄膜表面十字网格的起因的研究，日本研究人员评述：“SiGe缓冲层表面十字网格与空间变化应力场的关系已经被多种实验方法所证实。陈等【代表性论文7】首次用微区拉曼测量观察到了这种关系，该测量方法是检测局域应力的有用工具。”（他引文7）。法国Berbezier教授在综评文章中指出：“结果毫不含糊地将所有生长过程所产生的十字网格归因于失配位错，而不是由于穿透位

13、错或组分的变化。”（他引文5）四、项目提出使用测得的GaN薄膜（12）晶面的摇摆曲线和扫描曲线半高宽的加权平均值，便可简单计算获得GaN外延薄膜中晶粒的扭转角的方法，英国剑桥大学著名学者Moram和Vickers在该校著名物理类杂志Reports on Progress in Physics的“族氮化物的X射线衍射”综述论文中三次强调该结果的科学意义和实用价值：（1）“郑等【代表性论文8】指出对于（121）反射（发生在高达78.6倾角），-扫描及-扫描二者都会给出相同的FWHM”；（2）“非对称扫描也用于测量扭转角（样品在晶片的法线附近摆动）。这里，使用与倾斜对称扫描相同的条件探测衍射斑点【代

14、表性论文8】”；（3）“公式4.7最近被用来计算III族氮化物的刃位错及螺位错密度，式中的半高宽符号采用了（0002）反射的扫描(102)【代表性论文8】或(121)反射的FWHM值。”并指出这是一个好的表征方法（他引文6）五、论文专著目录1. 代表性论文专著目录（不超过8篇）序号论文专著名称/刊名/作者影响因子年卷页码（xx 年xx 卷xx 页）发表时间年月日通讯作者第一作者国内作者SCI他引次数他引总次数知识产权是否归国内所有1Low-temperature buffer layer for growth of a low-dislocation-density SiGe layer on

15、 Si by molecular-beam Epitaxy / JOURNAL OF APPLIED PHYSICS / H.Chen, L.W Guo, Q .Cui, Q.Huang, J.M.Zhou.2.1851996年79卷1167页1996年01月15日陈弘陈弘陈弘、郭丽伟、崔堑、黄绮、周均铭.8287是2Relaxed Si0.7Ge0.3 layers grown on low-temperature Si buffers with low threading dislocation density / APPLIED PHYSICS LETTERS / J.H.Li , C.

16、S .Peng, Y. Wu, D.Y.Dai, J.M.Zhou, Z.H.Mai3.5511997年71卷3132页1997年11月24日李建华李建华李建华、彭长四、吴英、戴道扬、周均铭、麦振洪7476是3Relaxed Ge0.9Si0.1 alloy layers with low threading dislocation densities grown on low-temperature Si buffers / APPLIED PHYSICS LETTERS / C.S. Peng, Z.Y. Zhao, H. Chen, J.H. Li, Y.K. Li, L.W. Guo,

17、 D.Y. Dai, Q. Huang, J.M. Zhou, Y.H. Zhang, T.T.Sheng, C.H.Tung3.5511998年72卷3160页1998年06月15日彭长四彭长四彭长四、陈弘、李建华、李永康、郭丽伟、戴道扬、黄绮、周均铭4852是4Strain relaxation of SiGe alloy with low dislocation density grown on low-temperature Si buffers / JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH / C.S. Peng, H. Chen, Z.Y. Zhao, J.H. Li,

18、D.Y. Dai, Q. Huang, J.M. Zhou, Y.H. Zhang, C.H. Tung, T.T. Sheng, J. Wang1.6931999年201/202卷530页1999年5月彭长四彭长四彭长四、陈弘、赵贞勇、李建华、戴道扬、黄绮、周均铭1622是5White light-emitting diodes based on a single InGaN emission layer/ Applied Physics Letters/ X. H. Wang, H. Q. Jia, L. W. Guo, Z. G. Xing, Y. Wang, X. J. Pei, J.

19、 M. Zhou, and H. Chen3.5512007年91卷1912页2007年10月18日陈弘王晓晖王晓晖、贾海强、郭丽伟、邢志刚、汪洋、裴晓将、周均铭、陈弘2023是6Recent Progress in GaN-Based Light-Emitting Diodes/ Advanced materials/ Haiqiang Jia, Liwei Guo, Wenxin Wang, and Hong Chen17.4932009年21卷4641页2009年08月15日陈弘贾海强贾海强、郭丽伟、王文新、陈弘5454是7Crosshatching on a SiGe film gro

20、wn on a Si (001) substrate studied by Raman mapping and atomic force microscopy / PHYSICAL REVIEW B / H.Chen, Y.K. Li, C.S. Peng, H.F.Liu, Y.L.Liu, Q.Huang, J.M.Zhou, Qi-Kun Xue3.6642002年65卷233303页2002年06月15日陈弘陈弘陈弘、李永康、彭长四、刘洪飞、黄绮、周均铭、薛其坤.5564是8Determination of twist angle of in-plane mosaic spread o

21、f GaN films by high-resolution X-ray diffraction / JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH / X.H.Zheng, H. Chen, Z.B. Yan, Y.J.Han, H.B.Yu, D.S.Li, Q.Huang, J.M.Zhou1.6932003年255卷63页2003年07月郑新和郑新和郑新和、陈弘、严振斌、韩英军、于洪波、李东昇、黄绮、周均铭4045是 补充说明（视情填写）：承诺：上述论文专著用于推荐国家自然科学奖的情况，已征得未列入项目主要完成人的作者的同意。知识产权归国内所有，且不存在争议。 第一完成人签名：六、

22、主要完成人情况表陈弘：该项目的负责人和主要完成人之一，主要学术思想的提出者。在理型的建立、总体实验的构思和实验结果的分析等方面进行了系统的工作。对重要发现（一）发明了利用高点缺陷密度覆盖层的高效阻挡位错的独特技术（二）首次用量子点实现了单芯片白光LED这一国际上的研究热点（三）开创了研究外延膜表面局部应力及计算外延膜中位错密度的新方法三项都有重要贡献。代表性论文1、7的第一作者和通讯作者，5、6的通讯作者，代表性论文3、4、7、8的作者。本人在该项目研究中占本人工作量的百分之八十。彭长四：该项目的主要完成人之一。在如下工作中，理论模型的建立、实验的构思和实验结果的分析等方面进行了系统的工作，对

23、重要发现的（一）发明了利用高点缺陷密度覆盖层的高效阻挡位错的独特技术有重要贡献。代表性论文3、4的第一作者和通讯作者及代表性论文2、7的作者。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的百分之八十。郑新和：本人是该项目的主要完成人之一。在大失配异质外延薄膜的结构分析、缺陷密度计算，尤其是外延薄膜马赛克结构的扭转角方面进行了细致的实验分析工作。对第二项重要发现中根据外延薄膜90度倾角时X射线衍射中的摇摆和Phi扫描曲线宽化相同的发现提出了直接测量c面氮化镓薄膜的扭转角并计算位错密度有重要贡献。代表性论文8的第一作者和通讯作者。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的百分之九十。贾海强：本人是该项目的主要

24、完成人之一。在“首次用量子点实现了单芯片白光LED这一国际上的研究热点”这项成果方面做出了重要贡献，包括材料生长、器件制作及物性研究。是代表性论文6的第一作者和代表性论文5的作者。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的百分之八十。周均铭：该项目的负责人和主要完成人之一。对重要发现的（一）发明了利用高点缺陷密度覆盖层的高效阻挡位错的独特技术（二）首次用量子点实现了单芯片白光LED这一国际上的研究热点及（三）开创了研究外延膜表面局部应力及计算外延膜中位错密度的新方法三项都有重要贡献。是代表性论文1至7的作者。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的百分之八十。七、完成人合作关系说明本项目是在中国科学

25、院物理研究所的半导体量子阱和异质结构研究组内合作完成的，五位完成人中四人是项目完成期间研究组的正式成员，其中一人是研究组内博士后。项目共由三个科学发现成果组成。第一项科学发现成果中的一篇合著论文，即代表性论文1由第一、五完成人陈弘、周均铭二人合作完成，合作时间为1995年6月至1996年1月；这项成果中的代表性论文2由第二完成人彭长四和周均铭合作完成，合作时间为1997年1月至1997年11月；这项成果中的代表性论文3、4由完成人陈弘、彭长四、周均铭合作完成，合作时间为1998年1月至1999年5月。周均铭是当时研究组组长，陈弘和彭长四是研究组正式成员。第二项科学发现成果中的代表性论文5，由第

26、一、四、五完成人陈弘、贾海强、周均铭三人合作完成，合作时间为2007年1月至2007年10月；代表性论文6由完成人陈弘、贾海强合作完成，合作时间为2009年1月至2009年8月。陈弘是研究组组长，贾海强和周均铭是研究组正式成员。第三项科学发现成果中的代表性论文7由第一、二、五完成人陈弘、彭长四、和周均铭三人合作完成，合作时间为2001年5月至2002年6月，由第一、三、五完成人陈弘、郑新和、周均铭三人合作，合作时间为2002年1月至2003年7月，合作产出是代表性论文8，郑新和当时是周均铭的博士后，周均铭是当时研究组组长，陈弘和彭长四是研究组正式成员。 第一完成人签名： 完成人合作关系情况汇总

27、表序号合作方式合作者/项目排名合作时间合作成果证明材料备注1论文合著陈弘/1、周均铭/51995年6月至1996年1月Low-temperature buffer layer for growth of a low-dislocation-density SiGe layer on Si by molecular-beam Epitaxy代表性论文12论文合著彭长四/2、周均铭/51997年1月至11月Relaxed Si0.7Ge0.3 layers grown on low-temperature Si buffers with low threading dislocation dens

28、ity代表性论文23论文合著陈弘/1、彭长四/2、周均铭/51998年1月至1999年5月Relaxed Ge0.9Si0.1 alloy layers with low threading dislocation densities grown on low-temperature Si buffers Strain relaxation of SiGe alloy with low dislocation density grown on low-temperature Si buffers 代表性论文3、4 4论文合著陈弘/1、贾海强/4、周均铭/52007年1月至2007年10月Whi

29、te light-emitting diodes based on a single InGaN emission layer代表性论文5 5论文合著陈弘/1、贾海强/42009年1月至2009年8月Recent Progress in GaN-Based Light-Emitting Diodes代表性论文6 6论文合著陈弘/1、彭长四/2、周均铭/52001年5月至2002年6月Crosshatching on a SiGe film grown on a Si (001) substrate studied by Raman mapping and atomic force micros

30、copy代表性论文7 7论文合著陈弘/1、郑新和/3、周均铭/52002年1月至2003年7月Determination of twist angle of in-plane mosaic spread of GaN films by high-resolution X-ray diffraction 代表性论文8承诺：本人作为项目第一完成人，对本项目完成人合作关系及上述内容的真实性负责，特此声明。第一完成人签名： 八、推荐专家介绍汪卫华：工作单位：中国科学院物理研究所职称：研究员学科专业：材料科学薛其坤：工作单位：清华大学职称：教授学科专业：材料科学陆卫：工作单位：中国科学院上海技术物理研究所职称：研究员学科专业：材料科学