高质量硼掺杂单晶金刚石同质外延及电学性质研究

突破高质量、高效金刚石掺杂技术是实现高性能金刚石功率电子器件的前提。本文利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,以三甲基硼为掺杂源,制备出表面粗糙度0.35 nm,XRD(004)摇摆曲线半峰全宽28.4 arcsec,拉曼光谱半峰全宽3.05 cm^-1的高质量硼掺杂单晶金刚石。通过改变气体组分中硼元素的含量,实现了10¹⁶~10²⁰ cm^-3的p型金刚石可控掺杂工艺。随后,研究了硼碳比、生长温度、甲烷浓度等工艺条件对p型金刚石电学特性的影响,结果表明:在硼碳比20×10^-6、生长温度1 100 ℃、甲烷浓度8%、腔压160 mbar(1 mbar=100 Pa)时p型金刚石迁移率达到207 cm²/(V·s)。通过加氧生长可以提升硼掺杂金刚石结晶质量,降低杂质散射。当氧气浓度为0.8%时,样品空穴迁移率提升至 614 cm²/(V·s)。     

纳米金刚石薄膜的掺杂、表/界面调控及性能研究

本文综述了近年来国内外研究者在纳米金刚石薄膜的掺杂、导电性能、场发射性能和电化学性能等方面的工作,涉及化学气相沉积法制备n型纳米金刚石薄膜,离子注入掺杂纳米金刚石晶粒提高薄膜的n型导电性能,金属离子注入制备场发射性能良好的纳米金刚石薄膜,低剂量离子注入和晶粒表面氧终止态获得高迁移率n型电导,纳米金刚石/石墨烯复合结构的调控对其电学及电化学性能的影响,以及硼掺杂金刚石薄膜电极的微结构和电化学性能研究等。综合分析发现,晶粒掺杂和表界面协同调控可以提升薄膜的电学性能、场发射性能及电化学性能,为纳米金刚石薄膜在纳米电子器件、电化学电极等领域的应用提供了理论基础。     

N型半导体金刚石的研究现状与展望

作为半导体材料的金刚石具有宽的禁带宽度和高的热导率、介质击穿场强等优异性质,因此其应用前景广阔.P型金刚石发展较N型金刚石成熟.因为缺乏可实用的N型金刚石材料,这使得金刚石半导体器件的应用难以实现.因此N型半导体金刚石成为研究者关注的焦点.论文从掺杂元素和制备方法两方面详细介绍了国内外N型金刚石的研究现状.硼与磷或硫元素共掺杂获得N型金刚石的研究取得了较大进展;利用化学气相沉积法和离子注入法制备N型半导体金刚石研究较多且取得了一定进展.高压高温下的温度梯度法便于掺杂调控金刚石性能,因而利用该法合成N型半导体金刚石大单晶值得尝试.     

n型Ge基Ba_8Ga_(16-x)Zn_xGe_(30) I-型笼合物的制备及电传输特性

用熔融法结合放电等离子体烧结技术,采用Zn掺杂制备了具有半导体传导特性的n型Ba_8Ga_(16-x)Zn_xGe_(30) I-型笼合物,研究了Zn部分置换Ga对化合物电传输特性的影响.研究表明所制备的化合物为单相的具有空间群Pm3-n的I-型笼合物.Zn掺杂前对应化合物表现为金属传导特性,Zn掺杂后对应化合物表现为典型的杂质半导体传导特性.室温下,随Zn掺杂量的增加,化合物的载流子浓度和载流子有效质量逐渐降低;Zn掺杂对室温载流子迁移率无明显影响.在300～900 K温度范围内,随Zn掺杂量的增加对应化合物的电导率逐渐降低,Seebeck系数逐渐增加.Zn掺杂后对应化合物的功率因子与掺杂前相比有所降低,且达到最大值的温度都向低温方向偏移.     

Al掺杂Ⅷ型Sn基单晶笼合物载流子调制对其热电传输特性的影响

本文采用Sn自熔剂法,通过调节Ga的起始含量(Ba∶ Ga∶ Al∶ Sn =8∶x∶6∶50;x=10,20,30)实现对载流子进行调制,制备出具有p型和n型传导的Ⅷ型Sn基单晶笼合物,并对其结构和热电特性进行研究.研究结果表明,随着Ga起始含量的增加,Al在化合物中的固溶度减小,材料的晶格常数也随之减小;x=10的样品Seebeck系数全部为负值,x=30的样品Seebeck系数全部为正值,而x=20的样品在450 K后由于本征激发Seebeck系数显著降低,在550 K附近由p型传导转变为n型传导;室温下具有p型传导的化合物具有较高的载流子浓度,但其迁移率显著降低,从而导致其相应的化合物具有较高的电阻率,因此通过对Ga起始含量的改变能够对化合物的载流子实现有效调控;此外,在300 ～600 K内均具有p型传导的样品室温下的载流子有效质量较n型样品的高;通过估算的热导率κ、实测电阻率和Seebeck系数,计算出x=30的p型单晶样品在457 K处获得最大ZT值0.86.     

基于第一性原理的二维g-AlN材料p型掺杂研究

半导体材料通过掺杂实现n型和p型载流子导电在半导体器件领域具有重要意义,理论上可通过计算电荷转移能级和缺陷形成能来探索半导体材料的n型和p型掺杂效率。基于第一性原理,结合二维带电缺陷计算方法,类石墨烯氮化铝(graphene-like AlN, g-AlN)中的四种(Be_Al,Mg_Al,Ca_Al,Sr_Al)潜在p型掺杂缺陷的结构、磁学、电学和缺陷形成能及转移能级被系统地计算。结果表明,所有缺陷体系均表现为深受主能级特性,很难为二维g-AlN提供p型载流子,它们反而会捕获g-AlN中的空穴,从而严重影响二维g-AlN材料的空穴导电率。Be_Al在整个电子化学势范围内具有最小的形成能,因此更加容易掺入到g-AlN中,影响g-AlN材料的p型掺杂效率。     

衬底温度对直流反应磁控溅射法制备的N掺杂p型ZnO薄膜性能的影响

利用直流反应磁控溅射法(纯金属锌作为靶材,Ar-N2-O2混合气体作为溅射气体)在石英玻璃衬底上制备了N掺杂p型ZnO薄膜.通过XRD、Hall和紫外可见透射谱分别研究了衬底温度对ZnO薄膜结构性能、电学性能和光学性能的影响.XRD结果显示所有制备的薄膜都具有垂直于衬底的c轴择优取向,并且随着衬底温度的增加,薄膜的晶体质量得到了提高.Hall测试表明衬底温度对p型ZnO薄膜的电阻率具有较大影响,400℃下生长的p型ZnO薄膜由于具有较高的迁移率(1.32 cm2/Vs)和载流子浓度(5.58×1017cm-3),因此表现出了最小的电阻率(8.44Ω·cm).     

自然掺杂p型ZnO薄膜的螺旋波等离子体辅助溅射沉积

本工作通过调整工作气压,采用螺旋波等离子体辅助射频磁控溅射技术在Al2O3衬底上成功的制备了自然掺杂的p型ZnO薄膜.Hall测量显示在Ar/O2等离子体辅助下,随气压增加所沉积薄膜表现出从n型到p型再到n型的转变.p型ZnO薄膜载流子浓度为1.30×1016cm-3,电阻率为99.68Ω·cm,霍尔迁移率为4cm2·V-1·s-1.X射线衍射和原子力显微镜的分析结果显示ZnO薄膜的导电类型和薄膜的生长特征相关,等离子体中活性粒子载能的减小导致薄膜表面成核几率增加和ZnO晶粒逐渐减小.较高氧活性粒子浓度有利于自然掺杂p型ZnO薄膜生长,而活性氧粒子种类的变化使薄膜生长质量变差,施主缺陷增加,薄膜转化为n型导电.     

ZnO晶体的功能梯度分析

分析n-ZnO薄膜和硼掺杂p型金刚石薄膜在{111}面金刚石衬底上制作n-ZnO/p-金刚石p-n异质结的应用,ZnO体晶微观结构和缺陷分布及电阻、载流子浓度、迁移率分布特征,探讨了应用功能梯度材料理论研究ZnO晶体材料的方法.从而提出应系统地建立ZnO晶体内部组成和结构的梯度分布特性数据库,从不同的应用角度来进行ZnO晶体材料设计和研究.     

灰锡自溶剂法Ba/Eu复合填充Ⅷ型Sn基单晶笼合物的制备及电传输特性

采用灰锡自溶剂法制备Ⅷ型Sn基单晶笼合物,并通过Eu对其进行掺杂.研究表明所制备样品均为空间群为I(4)3m的p型Ⅷ型Sn基单晶笼合物,Eu原子趋于取代Ba原子,且随着Eu元素起始含量的增加,材料晶格常数减小,熔点升高,较低的载流子浓度与较高的载流子迁移率使得材料Seebeck系数与电导率都有所提升,Eu起始含量x =0.50的样品其ZT值在480 K处获得最大值0.87.     

氧化锌单晶生长、载流子调控与应用研究进展

氧化锌(ZnO)是一种历史悠久的材料,由于其微观结构非中心对称,最初被预测可以应用于压电和非线性光学领域,又因为它在室温下具有宽的禁带和高的激子束缚能,是一类重要的第三代宽禁带半导体材料,在半导体领域受到了广泛关注。然而,在实际应用中,ZnO在上述各个领域都遇到了一些瓶颈问题:在压电领域,原本被认为是绝缘的ZnO出现了意外的导电性;在非线性光学领域,ZnO的折射率差很小,难以获得好的相位匹配;在半导体领域,难以同时获得高载流子浓度、高迁移率、高热稳定性的p型ZnO。本文主要针对以上ZnO的应用前景及相关瓶颈问题进行了总结,并提出了适用于离子型化合物半导体的载流子调控普适性理论,即:载流子类型完全由材料的精细化学组分完整表达式来决定。这一规则将原本被认为是无关的材料精细化学组分完整表达式和载流子类型两个概念联系起来,在认识上具有很大的突破,并形成了材料科学研究的新范式。该范式成功指导了高绝缘和高热稳定性的n型ZnO单晶以及高迁移率掺Al∶ZnO薄膜的生长,并为高载流子浓度、高迁移率、高热稳定性p型ZnO的制备提供了新思路。近来,除了上述应用领域外,ZnO还被发现在超快闪烁体和中红外(MIR)透明导电窗口领域具有较大的应用贡献,并推测这些领域很可能领先于ZnO原本受到重视的研究领域而取得真正的应用进展。     

高温扩散法制备B-S共掺杂单晶金刚石

利用高纯度的硼粉和硫粉，在1 300℃的高温真空环境下，通过扩散装置制备出硼(B)、硫(S)共掺杂单晶金刚石。扫描电子显微镜、X射线能谱、拉曼光谱等测试结果表明，随着两种元素的掺入，金刚石的形貌和晶体质量发生变化。掺杂后的金刚石形貌复杂，蚀坑和沟壑内部形貌呈阶梯状，随着掺杂量的增加出现断层，并在蚀坑处检测出较高的硼原子和硫原子含量，掺杂B-S质量比为0.5的金刚石蚀坑处的硼原子和硫原子含量最高。随着杂质原子的渗入，拉曼半峰全宽值增大，金刚石的晶体质量下降。室温下进行霍尔检测结果表明，掺杂后的金刚石电阻率降低。B-S质量比为1和2的样品导电类型表现为p型；B-S质量比为0.5时，样品的霍尔系数为负值，导电类型为n型。     

BAs晶体生长研究进展

立方砷化硼(BAs)为间接带隙、闪锌矿结构的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。理论分析预测BAs具有仅次于金刚石的超高热导率,在电子器件散热领域表现出广阔应用前景,成为当前的研究热点。近年来立方BAs单晶材料的制备取得突破性进展,采用化学气相传输法(CVT)合成了毫米尺寸的高质量单晶,室温下热导率高达1 300 W·m^-1·K^-1。本文介绍了BAs单晶的性质和生长方法,综述了材料研究进展,阐述了晶体生长面临的技术挑战,并对发展前景进行了展望。     

Device quality epitaxial gallium arsenide grown by the metal alkyl-hydride technique

Good vapour-phase epitaxial gallium arsenide on gallium arsenide can readily be obtained using trimethylgallium and arsine. The system is rapid and economical to use. Undoped material can be n or p-type with a carrier concentration of less than 5 × 10¹⁵ cm^?3. The best n-type material had a room temperature mobility of 6260 cm² sec^?1 V^?1, and for the best p-type material it was 385 cm² sec^?1V^?1. Material can be controllably doped n-type with sulphur. Multiple sub-micron n⁺ and n on p layers have been grown and used to fabricate Schottky barrier field effect transistors (FET). Material with good photocathode properties was grown by doping strongly p-type with dimethyl zinc.     

硼协同掺杂金刚石单晶的高温高压合成

金刚石是一种具有优异性能的极限性超硬多功能材料。人工合成的金刚石可通过掺杂的方式使其具有各种独特的性质。掺硼金刚石兼具p型半导体的导电特性和金刚石自身优良的物理和化学性能,在国防、医疗、勘探、科研等领域具有极高的应用价值。本文基于本课题组高温高压(HPHT)法合成的系列掺硼金刚石以及硼协同掺杂金刚石单晶,进行了硼掺杂金刚石、硼氢协同掺杂金刚石以及硼氮协同掺杂金刚石的合成和性能特征等方面的研究。通过表征合成样品在光学、电学方面的性能,探讨了不同掺杂添加剂对合成金刚石性能的影响,为合成高性能的半导体金刚石提供了思路。     

红外LED用GaAs单晶的垂直梯度凝固制备研究

GaAs单晶是当前光电子器件的主要衬底材料之一，在红外LED中有着重要应用。但杂质浓度高、迁移率低等缺点会严重影响红外LED器件性能。为生产出低杂质浓度、高迁移率、载流子分布均匀、高利用率的红外LED用掺硅垂直梯度凝固(VGF)法GaAs单晶，本文研究了热场分布、合成舟和炉膛材质、工艺参数对单晶的成晶质量、杂质浓度、迁移率、载流子分布的影响。利用CGSim软件对单晶生长热场系统进行数值模拟研究，温区一至温区六长度比例为8∶12∶9∶5∶5∶7时，恒温区达到最长，位错密度达到1 000 cm^-2以下，成晶率达到85%。采用打毛石英合成舟进行GaAs合成，用莫来石炉膛替代石英炉膛，可以获得迁移率整体高于3 000 cm²/(V·s)的GaAs单晶，满足红外LED使用要求。对单晶生长工艺参数展开研究，采用提高头部生长速度、降低尾部生长速度的方式提高单晶轴向载流子浓度均匀性，头尾部载流子浓度差降低33%,尾部迁移率从2 900 cm²/(V·s)提高到3 560 cm²/(V·s)。单晶有效利用长度提高33...