半绝缘碳化硅单晶衬底的研究进展

碳化硅(SiC)被认为是最重要的宽禁带半导体材料之一,具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质。基于SiC材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,而且在高电压、高频率状态下也具有更高的可靠性。近20年来,随着材料生长技术、制造工艺与器件物理的迅速发展, SiC材料及器件在雷达、5G通信、电动汽车等领域获得了广泛应用,对国防工业发展、国家信息安全、国民经济建设均产生了极其重要的影响。在以SiC为基础的大功率半导体器件产业链中,高质量的SiC单晶制备及其产业化是最为重要的一环。本文针对半绝缘SiC单晶衬底材料国内外发展进行了分析归纳,重点介绍了山东大学半绝缘SiC的研究历程、现状,并对研究和产业发展、存在的挑战做了论述。     

高温高压与CVD金刚石单晶衬底质量对比研究

本文通过高分辨X射线衍射(HRXRD)、激光拉曼光谱(Raman)、晶格畸变检测等测试分析方法对多组高温高压(HTHP) Ⅰb、HTHP Ⅱa和化学气相沉积(CVD)型(100)面金刚石单晶样品进行对比研究。HRXRD和Raman的检测结果均表明HTHP Ⅱa型金刚石单晶的结晶质量接近天然金刚石,其XRD摇摆曲线半峰全宽和Raman半峰全宽分别为0.015°~0.018° 和1.45~1.85 cm^-1。晶格畸变检测仪的检测结果表明,HTHP Ⅱa型金刚石单晶的应力分布主要有两种:一种几乎无明显应力分布,另一种沿<110>方向呈对称的放射状分布,其他区域无晶格畸变。HTHP Ⅰb和CVD型金刚石单晶应力分布均相对分散,晶格畸变复杂,与其HRXRD和Raman的检测结果相符。进一步利用等离子体刻蚀法对三种类型金刚石单晶(100)面位错缺陷进行对比分析,结果表明,HTHP Ⅱa型金刚石位错密度为三者中最低,仅为1×10³ cm^-2。本研究为制备高质量大尺寸CVD金刚石单晶的衬底选择提供了实验依据。     

砷化镓光导开关的损伤形貌研究北大核心CSCD

制作了同面型砷化镓光导开关,并测试了其导通性能。在偏置电压8 kV、激光能量10 mJ、重复频率10 Hz的条件下,研究了光导开关触发104次后器件表面的损伤形貌。利用激光扫描共聚焦显微镜,对电极边缘及电极间的损伤形貌进行分析,研究发现阳极边缘由于热积累形成热损伤,而阴极边缘的热损伤来源于热应力,并对电极间损伤形貌进行细致表征及分类。     

超拉伸聚合物-锂藻土纳米复合水凝胶

将锂藻土（Laponite）纳米粒子分散在水中，加入丙烯酰胺类单体和过氧化物引发剂，不添加化学交联剂，原位自由基聚合可得到聚合物-Laponite纳米复合水凝胶。其透明度高，可以拉伸至1 300％以上，具有优异的力学性能，成为当前智能材料研究的热点之一。本文综合了聚合物-Laponite纳米复合水凝胶所用锂藻土的结构、性质以及复合水凝胶的合成、结构及物理特性，并探讨这一领域可能的发展方向。     

金刚石微粉对SiC机械抛光的影响研究

研究了金刚石微粉对碳化硅晶片表面机械抛光质量及去除率的影响.选取粒径均为W0.5～1μm、粒径分布和形貌不同的3种金刚石微粉,配置3种SiC单晶片机械抛光液.通过纳米粒度仪和扫描电镜分别测试了金刚石微粉的粒度分布和微观形貌.使用原子力显微镜测试了SiC晶片机械抛光后表面粗糙度.金刚石微粉的微观形貌越圆滑,粒径分布越集中,抛光后晶片的表面质量越好.金刚石微粉中单个颗粒的表面棱角有利于提高材料去除率.     

AlGaN成核层对SiC衬底外延GaN薄膜应力及缺陷影响的研究

研究了成核层生长条件对SiC衬底上GaN薄膜晶体质量和剩余应力的影响.采用AlGaN成核层并提高其生长温度,能明显降低SiC衬底上GaN外延层的缺陷密度和剩余应力.GaN薄膜的高分辨XRD摇摆曲线(0002)和(10-12)面的半峰宽达到161 arcsec和244 arcsec,拉曼频移达到567.7 cm-1.成核层的原子力显微镜结果显示GaN薄膜的晶体质量随着成核岛密度的降低而提高.     

不同体色淡水养殖珍珠的结构特征研究

本文利用拉曼光谱仪和高分辨扫描电子显微镜对四种不同体色的淡水养殖珍珠进行了测试和观察,发现不同体色珍珠的表面和剖面断裂面形貌都不同.白色和黄色珍珠表面具有相对比较整齐的生长台阶,而紫罗兰色和紫色珍珠表面的生长台阶杂乱无章.尤其是紫色珍珠,不仅生长台阶不平行整齐,而且存在台阶聚并现象以及缺陷.对于珍珠剖面的断裂面的观察,发现白色和黄色珍珠的文石板片层厚度约为200～400 nm;而紫罗兰色和紫色珍珠的约为100 ～ 300 nm,且排列更致密.进一步对剖面进行EDTA腐蚀后发现,珍珠文石板片层之间的CaCO3首先被腐蚀,之后在片层之间留下网格状的有机质;紫罗兰色珍珠的最易被腐蚀,而紫色珍珠最难被腐蚀,由此判断紫色珍珠的结构致密性明显优于其他颜色珍珠.     

高分辨X射线衍射法研究碳化硅单晶片中的多型结构

我们采用高分辨X射线衍射法对SiC单晶片中的多型结构进行了研究,研究发现在以4H-SiC为籽晶的晶体生长过程中,4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC出现两相共存或三相共存现象.在单相、两相或三相共存区,X射线摇摆曲线具有明显不同的特征.根据多型结构,可以对摇摆曲线中的衍射峰进行鉴定.     

显微激光拉曼光谱法鉴别SiC晶体的多型体结构

利用显微激光拉曼光谱法对掺氮6H-SiC单晶中的寄生多型体进行了鉴别,结果表明其中有4H-SiC和15R-SiC两种寄生多型体.不同SiC多型体的纵光学声子与等离子体激元的耦合模(LOPC模)表明:在掺氮6H-SiC单晶的生长条件下,6H-SiC的掺氮效应与4H-SiC存在明显差别,而与15R-SiC的掺氮效应相似.     

BiB3O6晶体最佳生长方向的确定

非线性光学晶体BiB3O6属单斜晶系,晶体的极性生长严重.采用不同方向的籽晶,晶体的形状、尺寸、质量和生长速度有着很大的差异.为了确定晶体的最佳生长方向,热膨胀性能被考虑.通过分析热膨胀椭球,[101]方向被确定为最佳籽晶方向.在适合的高温溶液条件和工艺参数下,沿着该方向,成功生长了尺寸为30mm×30mm×40mm、重120g的BiB3O6晶体.