BN坩埚中的AIN单晶生长

AIN是第三代直接宽带隙半导体材料的代表，具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在制作大功率微电子器件和紫外探测器等方面，具有广泛的应用前景。AIN在光电子领域的应用潜力也不容忽视。AIN作为GaN材料的衬底，与目前广泛使用的SiC和宝石衬底相比，具有晶格失配位错密度低、热导率高、热膨胀系数差别小等优点，因而能大大提高GaN器件的性能和使用寿命。目前，各国竞相投入大量的人力、物力进行AIN单晶的研究工作。我国在这方面还鲜有报道。本文报道了山东大学在AIN单晶生长探索方面取得的一些进展。     

二维类正方阿基米德格子声子晶体弹性剪切波能带结构研究

利用平面波展开法研究了二维类正方阿基米德格子(ladybug和bathroom)铝/环氧树脂声子晶体弹性剪切波能带结构.与正方晶格相比,ladybug和bathroom格子都存在高频带隙,而且bathroom格子带隙较宽;ladybug格子有两个各向同性带隙;在相同r0/a(散射体半径与其相邻中心距离比)情况下,分析了ladybug、bathroom格子和正方晶格声子晶体r0/a的变化对带隙相对宽度的影响, 表明类正方阿基米德格子比正方晶格更容易获得带隙.     

类正方阿基米德格子声子晶体带隙稳定性实验研究

基于平面波展开法和超声浸水透射技术,理论和实验研究了二维(32.4.3.4)格子钢/水声子晶体带隙性质.与正方晶格钢/水声子晶体相比,类正方(32.4.3.4)格子能够打开高频带隙,并进一步讨论了第一布里渊区Γ-X、Γ-M方向层厚和方向带隙稳定性关系,这为设计有限尺寸隔声材料提供依据.结果表明:带隙的频率范围和理论计算很好吻合.     

5英寸锑化铟晶片加工及表征

锑化铟(InSb)材料因其特殊的性质被广泛用于红外光电探测等领域。随着更大面阵中波红外焦平面探测器的发展以及对低成本InSb红外探测器的需求,所需的晶片材料尺寸也日益增加。本文通过采用新结构石墨托以及高精度低损伤单线切割实现了5英寸InSb晶体定向断段;采用低损伤边缘倒角技术同时优化研磨参数改善了5英寸InSb晶片研磨;通过优化贴片工序提高了5英寸InSb晶片抛光后的平整度;通过优化抛光液pH值以及配比提高了5英寸InSb晶片表面质量。同时,使用X射线晶体定向仪、原子力显微镜等测试仪器对5英寸InSb晶片的晶向及偏差、抛光表面宏观质量、几何参数、表面粗糙度、晶格质量进行了测试表征。测试结果表明,采用优化后的加工工艺制备出了高质量的5英寸InSb晶片,能够满足InSb红外探测器制备需求。     

二维类三角晶格声子晶体的声学带隙特性分析

首先划分7种类三角晶格声子晶体按三角点阵排列,并推导它们的结构因子,然后利用平面波展开法数值计算了类三角晶格水/水银声子晶体的能带结构,分析了带隙的各向同性以及归一化半径对带隙的影响.结果表明:(3.4.6.4)品格、(34.6)晶格、(3.6.3.6)晶格、(63)晶格水/水银声子晶体可以产生较宽频率范围的带隙;(3.12.12)晶格和(4.6.12)品格水/水银声子晶体存在很窄低频带隙;单胞含6个和3个“原子”水/水银声子晶体容易形成各向同性带隙;选取归一化半径分别为0.38和0.28,使类三角晶格水/水银声子晶体的第1和第2带隙都获得最大值.     

类正方阿基米德格子声子晶体的声学能带结构特性

利用平面波展开法计算了类正方阿基米德格子水/水银声子晶体能带结构。结果表明:与正方晶格水/水银声子晶体对比,单胞含有4个"原子"类正方阿基米德格子声子晶体存在各向同性带隙和高频带隙;在低频范围内,讨论归一化半径对类正方阿基米德格子和正方晶格水/水银声子晶体带隙相对宽度的影响,并比较它们带隙相对宽度,选择合适归一化半径值,这些类型声子晶体能够得到最宽的带隙。     

黑磷-二硫化钼异质结光电流特性的研究

黑磷是一种近年来新兴的二维材料,具有可调控窄带隙及宽光吸收谱、高载流子迁移率等优异光电特性,可用于实现中红外波段高速光电探测器.但是黑磷样品在空气中的不稳定性也是制约其应用的主要因素.二硫化钼作为二维层状过渡金属硫属化物(TMDCs)中的典型代表,单层为直接带隙,双层及厚层为间接带隙,在可见光范围内有着较好的光电响应,但由于带隙范围的限制,在近红外的吸收较弱,几乎没有探测能力.基于此,本文通过构建二硫化钼在上,黑磷在下的垂直异质结构,通过硫化钼的保护作用实现了黑磷稳定性的提升,在空气环境中能够保持两个月之久;同时利用黑磷在近红外的吸收,增强了器件在近红外(940 nm)的响应.该异质结构对二维材料实现红外高性能的稳定探测有重要意义.     

h-BN型超晶格等离子体光子晶体能带特性研究

六方氮化硼(h-BN)晶格结构是一种类六方对称复式超晶格结构。具有h-BN晶格构型的光子晶体以其宽光子带隙特点受到国内外学者的广泛关注。本文利用不同尺度低压气体放电管与Al₂O₃介质棒周期性排列，构建了新型h-BN型超晶格等离子体光子晶体，实现其空间结构和等离子体参数的动态调控。利用微波透射谱对比研究了h-BN型超晶格与简单三角晶格等离子体光子晶体禁带位置、宽度和数目。分析了放电电流、介质棒阵列数对不同频段光子带隙的影响，以及电磁波入射角度对电磁传输特性的影响。结果表明：等离子体的引入不仅能够形成新的光子带隙，而且可以选择性地使部分禁带位置发生移动；相对于简单三角晶格，h-BN型超晶格等离子体光子晶体呈现出更多光子带隙；Al₂O₃介质棒阵列数对等离子体光子晶体禁带位置、宽度和数目均具有重要影响。电磁波入射角度变化越大，电磁传输特性差别越显著，透射谱相关性越差。本文所设计的新型h-BN型超晶格等离子体光子晶体为制作可调谐光子晶体提供了新的思路，在微波和太赫兹波控制领域具有潜在应用价值。     

硅基Ⅳ族SiGeSn三元合金晶格结构、电子结构和光学性质的第一性原理

SiGeSn三元合金由于具有较二元合金更大的晶格和能带性质调控范围,是当前用于制作硅基激光器的热点材料。为全面且精确地研究其晶格结构、电子结构和光学性质,本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,并结合准随机近似和杂化泛函带隙修正,首先研究SiGeSn晶格常数及其弯曲系数的变化规律,并给出了解决GeSn二元晶格失配和压应变问题的方案。其次比较研究了SiGeSn与GeSn合金的能带结构,并通过态密度计算分析了Si的引入对合金带隙变化的物理机制。最后比较研究了SiGeSn与GeSn合金的介电函数谱、吸收系数、消光系数、反射率、折射率和发射率等光学性质。结果表明,SiGeSn晶格常数弯曲系数的变化与合金电负性差值的变化规律一致,Si-p电子态是SiGeSn合金带隙变化的最主要贡献。相比于同Sn浓度的GeSn合金,SiGeSn能保持直接带隙特征,且其带隙值和光吸收波长呈现更宽的变化范围。因此在拓宽硅基高效光源和光电探测器应用波段方面,SiGeSn相较于GeSn合金具有更大的应用潜力和优势。     

AlGaN量子结构及其紫外光源应用

AlGaN量子结构是实现高光效、高稳定紫外固态光源的核心.近年来,AlGaN半导体材料及其紫外光源应用研究取得了较大的进展.然而,AlGaN材料的生长制备只能在非平衡条件下完成,涉及的生长动力学问题十分复杂,制约了量子阱等结构品质的提高;材料带隙宽,p型掺杂难度大,激活效率低,限制了载流子注入;光学各向异性显著,不利于光从器件正面出射.因此,AlGaN基紫外、特别是深紫外波段器件性能还有待提高.本文梳理了AlGaN量子结构与紫外光源效率之间的关系,详细阐述和总结了有源区量子结构、p型掺杂量子结构以及光学各向异性调控等方面所面临的挑战及近年来的重要研究进展.     

超宽禁带半导体氧化镓基X射线探测器的研究进展

X射线具有波长短、穿透能力强等优点,在医学成像、安全检查、科学研究、空间通信等领域具有重要作用。半导体X射线探测器可以将X射线转换为电流信号,具有易集成、空间分辨率高、能量分辨率高、响应速度快等优点。高性能的X射线探测器应具备暗电流低、灵敏度高、响应速度快、可长时间稳定工作等特点,因此制备X射线探测器的半导体材料应具有电阻率高、缺陷少、抗辐照能力强、禁带宽度宽等性质。氧化镓(Ga₂O₃)是一种新型宽禁带半导体材料,具有超宽禁带宽度、高击穿场强、高X射线吸收系数、耐高温、可采用熔体法生长大尺寸单晶等优点,是一种适合制备X射线探测器的新型材料,近年来基于Ga₂O₃的X射探测器成为辐射探测领域的研究热点之一。本文主要介绍了Ga₂O₃半导体的物理性质及其在X射线探测器方面的研究进展,分析了影响X射线探测器性能的物理机制,为提高Ga₂O₃基X射探测器的性能提供了思路。     

底表面光栅结构对于红外热探测器效率影响的研究

红外热探测器利用敏感材料的电学特性,将吸收的热量转化为电信号由检测电路检出,但其吸收效率并不理想.利用底表面光栅结构的大反射率特性,促进红外探测器结构的二次吸收,可有效提高探测器的吸收效率.基于电磁场理论,分析了结构参数对红外光学吸收的影响,利用数值模拟的方法,并通过结构参数的优化使吸收结构在整个波长范围内平均吸收效率提高了近一倍.     

ZnO microtube ultraviolet detectors

ZnO stands a good chance of being a candidate material for solar-blind UV detection because of its direct band-gap of 3.37 eV and high photoresponse. In this work, we present the UV photodetection properties of ZnO single crystal microtubes synthesized using a microwave-heating growth method. The ZnO microtubes exhibited relatively fast UV photoresponse with a cut-off wavelength ～370 nm, indicating their potential application as UV detectors with high efficiency and low cost.     

Scintillation neutron detectors based on solid-state photomultipliers and lightguides

Neutron detectors based on scintillation screens ZnS(Ag)/LiF and solid-state photomultipliers have been developed. Lightguides are used to collect light. The application of a coincidence scheme provides a low dark count and a neutron detection efficiency as high as 70%. A scheme of x-y neutron detector based on wavelength shifting fibers is also proposed. Tests of the proposed versions of detectors in a neutron beam have shown their efficiency.     

少铅/无铅钙钛矿太阳能电池研究进展

钙钛矿太阳能电池作为一种新型的低廉高效的光伏材料在近年来备受关注。铅基钙钛矿太阳能电池有光电转换效率高、成本低、易制备等优点,然而由于铅的毒性以及由此带来的环境污染问题在很大程度上限制了其进一步商业化应用。因此人们开发出一系列新型无毒或低毒钙钛矿材料用于制备环境友好的少铅/无铅钙钛矿太阳能电池。本文简明扼要地介绍了钙钛矿材料的结构和形成条件,着重回顾了Sn基钙钛矿太阳能电池的发展历程,对ⅣA族元素Ge,ⅡA族元素Mg、Ca、Sr和Ba,ⅤA族元素Bi和Sb,ⅢA族元素In以及过渡金属元素Cu等取代或部分取代Pb,以及通过调节卤素X与正离子A的组成及配比来调控少铅或无铅钙钛矿材料性能进行了总结,对少铅/无铅钙钛矿太阳能电池器件研究进展进行了综述,并对其未来的发展方向进行了展望。     

无位错Te-GaSb(100)单晶抛光衬底的晶格完整性

采用液封直拉(LEC)法批量生长的直径2英寸(1英寸=2.54 cm)n型Te-GaSb(100)单晶的位错腐蚀坑密度(EPD)通常低于300 cm^-2,达到无位错水平。本文利用X射线摇摆曲线以及倒易空间图(RSM)对这种GaSb单晶抛光衬底的晶格完整性和亚表面损伤情况进行了分析表征,结果表明经过工艺条件优化的化学机械抛光处理,GaSb单晶衬底表面达到原子级光滑,不存在亚表面损伤层。利用分子束外延在这种衬底上可稳定生长出高质量的Ⅱ类超晶格外延材料并呈现出优异的红外探测性能。在此基础上,对CaSb衬底材料的物性、生长制备和衬底加工条件之间的内在关系进行了综合分析。     

Germanium: Epitaxy and its applications

This paper reviews the most important properties of germanium, gives an insight into the newer techniques and technology for the growth of epitaxial Ge thin layers and focuses on some applications of this material, with a special emphasis on recent achievements in electronics and photovoltaics. We will highlight the recent development of Ge research and will give an account of the most important Ge applications that emerged in the last two decades.Germanium is a key material in modern material science and society: it is used as a dopant in fiber optic glasses and in semiconductor devices, both in activating conduction in layers and also as a substrate for III–V epitaxy. Ge is also widely used in infrared (IR) detection and imaging and as a polymerization catalyst for polyethylene terephthalate (PET). Moreover, high-speed electronics for cell phone communications relies heavily on SiGe alloys. Ge electronics is nowadays gaining new interest because of the enhanced electronic properties of this material compared to standard silicon devices, but the lack of a suitable gate oxide still limits its development. High efficiency solar cells, mainly for space use but also for terrestrial solar concentration have surpassed 40% efficiency and Ge has a lead role in achieving this goal.The main focus of the paper is on Ge epitaxy. Since epitaxy starts from the surface of the substrate, different studies on substrate pre-epitaxy, surface analysis and preparations are reviewed, covering the most common substrates for Ge deposition such as Ge, Si and GaAs. The most used Ge precursors such as GeH₄ and GeCl₄ are described, but several novel precursors, mostly metal-organic, have recently been developed and are becoming more common in epitaxial Ge deposition. Epitaxial growth of Ge by means of the most common methods, including Chemical Vapour Deposition and Molecular Beam Epitaxy is discussed, along with some recent advances in Ge deposition, such as Atomic Layer Deposition and Low Energy Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition.Several Ge applications are finally discussed, with the aim of providing insights into the potential of this material for the development of novel devices that are able to surpass the current limits of standard device design. Ge in microelectronics is becoming more and more important, thanks to the possibilities offered by bandgap engineering of strained SiGe/Si. However, lack of a good Ge oxide is posing several problems in device improvement. In the field of photovoltaics Ge is mainly used as a substrate for high efficiency III–V solar cells and for the development of thermophotovoltaic devices instead of the most expensive and scarcer GaSb. In this field, Ge epitaxy is very rare but the development of an epitaxial Ge process may help in developing new solar cells concepts and to improve the efficiency of thermophotovoltaic converters. Ge may play a role even in new spintronics devices, since a GeMn alloy was found to have a higher Curie temperature than GaAsMn.     

核辐射探测单晶生长方法研究进展

核辐射探测是指用各种核辐射探测器来得到核辐射信息的过程,在军用、民用和科研等领域具有广泛的应用。作为核辐射探测核心的核辐射探测器,主要分为气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器。相比于气体探测器,闪烁体探测器和半导体探测器都需要晶体作为核心材料,晶体质量的品质在很大程度上决定了探测器性能的上限。为了获得性能更好的探测器,人们对探测器用单晶材料的生长方法进行了大量的研究。本文综述了近几年核辐射探测单晶生长方法研究的最新进展,总结了目前主流的晶体生长方法,包括溶液法、熔体法、气相法等,并对不同晶体的主要生长方法进行了归纳。     

Microampere laser threshold at 80°C with InGaAs/GaAs/InGaP buried heterostructre strained quantum well lasers

An extremely low CW threshold current of 670 μA and a high slope efficiency of 0.14 W/A at a high junction temperature of 80°C were obtained with a 200 μm long Al-free InGaAs/GaAs/InGaP buried heterostructure (BH) quantum well laser grown by three-step metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). The maximum energy conversion efficiency of a 500 μm long laser was as high as 50% at a output power level of 1 mW. Regrowth conditions of InGaP layers were found to be crucial for planarizing the grown surface to realize the high performances.     

光学超晶格:从体块到薄膜

光学超晶格是一种基于准相位匹配技术的非线性光学材料。通过铁电畴工程研制出不同微结构的光学超晶格,可以实现高效灵活的非线性频率转换,并对光场进行多维调控。光学超晶格的基质材料,经历了从体块到薄膜的发展,伴随着两种材料体系超晶格制备技术的突破,催生了激光变频技术、非线性光场调控和多功能集成光量子芯片等重要应用。