从人工晶体研究发展历程浅谈基础理论研究的引领作用

人工晶体是信息社会中关系国民经济和国家安全的战略性关键材料。我国人工晶体研究总体处于国际先进水平，部分晶体居国际领先地位，特别是系列“中国牌”晶体的发明和发现引领了人工晶体发展方向，满足了国家重大需求。本文作为山东大学“主题教育”的研习成果，立足于晶体材料国家重点实验室60余年的发展历史，梳理了我国人工晶体的发展历程以及实验室近年来的部分先进成果，“管中窥豹”,浅谈了基础理论研究对学科的引领和支撑作用，并在此基础上提出了相关的思考和建议。希望能给我国人工晶体乃至自然学科的发展策略和方向提供一点有益的借鉴。     

Photoluminescence of Nanoporous GaN Films Prepared by Electrochemical Etching

Nanoporous （NP） CaN is prepared by electrochemical etching on a CaN epilayer grown on a sapphire substrate by metal-organic chemical vapor deposition. Scanning electron microscopy reveals that the average pore diameter and inter-pore spacing are approximately 25 and 45 nm, respectively. The photoluminescence （PL） spectra show that in contrast to the initial as-grown CaN epilayer, the NP CaN exhibits a high near-band-edge UV intensity, significant relaxation of compressive strain, and a lower yellow luminescence intensity. Both the line shape and line width of the PL spectra are almost the same for these two samples. The high quality of the NP CaN can be explained by the enhancement of the PL extraction efficiency and the decrease of impurity and defect density after etching.     

以(10■5)面为籽晶的6H-SiC单晶生长与缺陷研究

本文以升华法实现了以(10(1)5)面为籽晶的6H-SiC单晶扩径生长,获得最大直径达33 mm的6H-SiC单晶.采用光学显微镜观察晶体纵切片,发现源于包裹体的沿生长方向延伸的微管发生转弯现象,转向后在(0001)面内延伸,同时籽晶内沿c轴延伸的微管也终止于生长界面.通过光学显微镜观察单晶生长表面形貌,发现(101n)面生长,随着n的增大层错密度逐渐减小,这与横切片的腐蚀结果相对应;随着微管的终止和层错的减少得到了无微管的高质量单晶区.     

沿[1 ■00]方向升华法生长6H-SiC单晶

本文采用升华法沿着垂直于c轴方向的[1 ■00]方向生长6H-SiC单晶。利用光学显微镜对晶体表面及腐蚀后的晶片进行观察,发现沿[1 ■00]方向生长出的单晶与传统方法沿[0001]方向生长单晶有很多的不同之处,多型对于籽晶的继承性非常强,但是在生长过程中多型夹杂不会发生,该方法生长的晶体中没有发现螺位错(微管)缺陷。     

透射电子显微术和高分辨X射线衍射技术研究AlN单晶生长习性

采用透射电子显微术和高分辨X射线衍射技术对氮化硼坩埚中自发成核的AIN单晶生长习性进行了研究.结果表明,在低温下,AIN单晶显露面为(0001)面,随着温度的升高,AIN单晶显露面转化为(1120)面.沟槽结构是高温下得到的AIN单晶共有的显著特征,其取向沿[0001]方向.     

6H-SiC单晶中的微管和小角度晶界

利用透射偏光显微术、同步辐射X射线形貌术、高分辨X射线衍射方法对6H-SiC(0001)晶片中的微管和小角度晶界等缺陷进行了研究.实验发现,在透射偏光显微镜下,微管通常呈现为蝴蝶形,这是由于微管周围存在着应力场,且应力分布不均匀,当线偏振光在通过微管周围区域时传播速度不同造成的.从X射线背反射同步辐射形貌像得到晶片中微管的Burgers矢量大小在2c到10c之间.从晶片00012衍射的双晶衍射摇摆曲线可以看出,晶片的中间大部分区域质量很好,双晶衍射峰为单峰且半峰宽很窄,一般为35"左右.在外围区域双晶衍射峰的半峰宽变宽,有些区域还会出现衍射峰的分裂,这说明外围区域有嵌镶块结构存在.     

大直径6H-SiC单晶的生长

SiC是一种重要的半导体材料,它具有优良的热学、力学、化学和电学性质,不但可以用作基于GaN的蓝色发光二极管的衬底材料,同时又是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一。上世纪90年代以来,各国竞相投入大量的人力、物力进行SiC单晶的研究和产业化工作,我国在国家重大计划中进行了SiC单晶的生长研究,也取得一定成绩,但是至今可重复的大直径单晶生长一直没有得到解决。本文报道了在     

泡生法生长蓝宝石晶体中的气泡分布

气泡是蓝宝石晶体中的主要缺陷之一.本文中研究了采用泡生法生长蓝宝石晶体中气泡的俘获机理以及在晶体中的分布情况.研究结果表明气泡的分布与温场的结构相关,气泡产生的直接原因是结晶前沿较快的晶体生长速度.晶体中的气泡可以通过对生长速率的适当调整予以消除.     

高纯半绝缘4H-SiC单晶的生长

使用物理气相传输方法(PVT)制备了直径为3英寸、非故意深能级杂质(如:钒)掺杂的半绝缘4H-SiC晶体.使用二次离子质谱(SIMS)、拉曼光谱面扫描、非接触电阻率测试面扫描和高分辨XRD摇摆曲线对衬底的浅能级和两性深能级杂质的浓度、衬底晶型、衬底电阻率和衬底结晶质量进行了表征.结果表明,衬底全部面积电阻率大于4×109 Ω·cm,钒浓度低于探测限,这表明浅能级杂质浓度已经低至可以被本征缺陷引入深能级完全补偿范围;拉曼光谱结果表明衬底4H-SiC晶型面积比例为100;;(004)衍射面高分辨X射线摇摆曲线半宽仅25秒,表明了衬底良好的结晶质量.使用上述高纯半绝缘衬底制备的高电子迁移率器件(HEMT)具备良好的电学性质.     

高质量半绝缘Φ150mm 4H-SiC单晶生长研究

采用数值模拟研究PVT法Φ150 mm 4H-SiC单晶生长的功率、频率选择、坩埚位置及保温厚度等关键生长参数.研究表明Φ150 mm 4H-SiC单晶生长功率是2inch 4H-SiC生长功率的2倍,优化的加热频率在5 kHz以下,系统分析不同生长参数下生长腔内径向及轴向温度梯度的变化规律.在此基础上初步的进行了Φ150 mm 4H-SiC单晶的生长工作,获得了无裂纹、直径完整的高质量SiC衬底材料.拉曼光谱Mapping测量显示Φ150 mm SiC衬底全片无多型,均为4H-SiC晶型.X光摇摆曲线显示半宽小于30 arcsec.采用掺杂过渡金属V杂质,获得了电阻率超过5×109 Ω·cm的150mmSiC衬底.