用于Ⅲ族氮化物生长的紧配合喷淋头反应器

在紫外和可见光电子器件、高温电子学器件、冷阴极和太阳防护探测器的应用中,Ⅲ族氮化物是一类重要的材料.近年来,氮化物基的LED的制备成功,具有提供白光照明代替白炽灯和荧光灯的潜在能力.人们对用MOCVD方法生长GaN基材料的兴趣日益高涨,特别是对多片、均匀生长的大尺寸反应器的要求日益迫切.本文概述了紧配合喷淋头反应器的设计思想和其特性.结合Ⅲ族氮化物生长对设备的相关要求,给出了这种设备运行的一些结果.这些结果表明,这种紧配合喷淋头反应器很适合在研究和产品生产中的GaN基材料结构的生长.     

GaN基半导体新热点:从半导体照明到功率电子器件

Ⅲ族氮化物(又称GaN基)宽禁带半导体属于新兴的第三代半导体体系,在短波长光电子器件和功率电子器件领域具有重大应用价值。过去10多年,以蓝光和白光LED为核心的半导体照明技术和产业飞速发展,形成了对国家经济和人民生活产生显著影响的高技术产业。近年来GaN基功率电子器件受到了学术界和产业界的高度重视,形成了新的研发和产业化热点。首先介绍了半导体照明技术和产业的发展历程和现状,分析了当前GaN基LED芯片技术面临的关键科学和技术问题;然后重点介绍了GaN基微波功率器件和电力电子器件的发展历程和动态,包括微波功率器件已经取得的突破性进展和产业化现状,电力电子器件相对Si和SiC同类器件的优势和劣势,并对GaN基功率电子器件当前面临的关键科学和技术挑战进行了较详细的分析。     

GaN基半导体异质结构的外延生长、物性研究和器件应用

GaN基宽禁带半导体异质结构具有非常强的极化效应、高饱和电子漂移速度、高击穿场强、高于室温的居里转变温度、和较强的自旋轨道耦合效应等优越的物理性质,是发展高功率微波射频器件不可替代的材料体系,也是发展高效节能功率电子器件的主要材料体系之一,在半导体自旋电子学器件上亦有潜在的应用价值。GaN基异质结构材料、物理与器件研究已成为当前国际上半导体科学技术的前沿领域和研究热点。本文从GaN基异质结构的外延生长、物理性质及其电子器件应用三个方面对国内外该领域近年来的研究进展进行了系统的介绍和评述,并简要介绍了北京大学在该领域的研究进展。     

多晶金刚石对硅基氮化镓材料的影响

氮化镓(GaN)器件的自热问题是目前限制其性能的关键因素,在GaN材料上直接生长多晶金刚石改善器件的自热问题成为研究的热点,多晶金刚石距离GaN器件工作有源区近,散热效率高,但多晶金刚石和GaN材料热失配可能会导致GaN电特性衰退.本文采用微波等离子体化学气相沉积法,在2 in (1 in=2.54 cm)Si基GaN材料上生长多晶金刚石.测试结果显示,多晶金刚石整体均匀一致,生长金刚石厚度为9—81 μm,随着多晶金刚石厚度的增大, GaN (002)衍射峰半高宽增量和电性能衰退逐渐增大.通过激光切割和酸法腐蚀,将Si基GaN材料从多晶金刚石上完整地剥离下来.测试结果表明:金刚石高温生长过程中,氢原子对氮化硅外延层缺陷位置有刻蚀作用形成孔洞区域,刻蚀深度可达本征GaN层;在降温过程,孔洞周围形成裂纹区域.剥离下来的Si基GaN材料拉曼特征峰峰位, XRD的(002)衍射峰半高宽以及电性能均恢复到本征状态,说明多晶金刚石与Si基GaN热失配产生应力,引起GaN晶格畸变,导致GaN材料电特性衰退,这种变化具有可恢复性,而非破坏性.     

第三代半导体Ⅲ族氮化物的物理与工程——从基础物理到产业发展的典范

以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物属于宽禁带半导体,即通常所谓"第三代"半导体材料。作为Si、Ge以及传统Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体之后的新一代半导体材料,GaN具有更大的禁带宽度、更高的击穿电场、更稳定的物理化学性质等优异特性,已经成为半导体研究极为重要的领域和国家重大研究方向。尽管Ⅲ族氮化物的晶体质量与传统半导体材料相比仍然有很大差距,但并不妨碍Ⅲ族氮化物及其量子结构在光电器件及电子器件中的广泛应用,围绕GaN及其他相关氮化物半导体的研究和开发,在物理与工程方面都具有极为特殊的意义,是基础物理研究和产业化应用结合的典范。     

大失配、强极化第三代半导体材料体系生长动力学和载流子调控规律

高质量氮化镓(Ga N)材料是发展第三代半导体光电子与微电子器件的根基。大失配、强极化和非平衡态生长是Ga N基材料及其量子结构的固有特点,对其生长动力学和载流子调控规律的研究具有重要的科学意义与实用价值,受到各国科学界与产业界广泛高度重视。本文对大失配、强极化氮化物半导体材料体系外延生长动力学和载流子调控规律进行了研究,旨在攻克蓝光发光效率限制瓶颈,突破高Al和高In氮化物材料制备难题,实现高发光效率量子阱和高迁移率异质结构,制备多波段、高效率发光器件和高频率、高耐压电子器件,实现颠覆性的技术创新和应用,带动电子材料产业转型升级。     

基于脉冲方法的超短栅长GaN基高电子迁移率晶体管陷阱效应机理

陷阱效应导致的电流崩塌是制约GaN基微波功率电子器件性能提高的一个重要因素,研究深能级陷阱行为对材料生长和器件开发具有非常重要的意义.随着器件频率的提升,器件尺寸不断缩小,对小尺寸器件中深能级陷阱的表征变得越发困难.本文制备了超短栅长（L_g=80 nm）的AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（MOSHEMT）,并基于脉冲I-V测试和二维数值瞬态仿真对器件的动态特性进行了深入研究,分析了深能级陷阱对AlGaN/GaN MOSHEMT器件动态特性的影响以及相关陷阱效应的内在物理机制.结果表明,AlGaN/GaN MOSHEMT器件的电流崩塌随着栅极静态偏置电压的增加呈非单调变化趋势,这是由栅漏电注入和热电子注入两种陷阱机制共同作用的结果.根据研究结果推断,可通过改善栅介质的质量以减小栅漏电或提高外延材料质量以减少缺陷密度等措施达到抑制陷阱效应的目的,从而进一步抑制电流崩塌.     

用大面积立式旋转盘MOVPE反应器生长Ⅲ族氮化物材料

为了降低Ⅲ族氮化物材料和器件的成本,必须开发大尺寸的Ⅲ族氮化物MOVPE生长的反应器.本文报道了EMCORE公司的一种带有旋转盘的立式反应器,其中的衬底片载盘直径为325mm.每次沉积过程中,载盘上可以放置21片2英寸直径的衬底片.反应器的内壁通过水冷,其温度可保持在50～60℃之间.衬底片可用电热丝加热,沉积中衬底载盘的旋转速度可达1 000～1 500rpm.本文给出了用这种325mm GaN生长系统生长的未掺杂GaN,InGaN和p-GaN外延层的相关结果.这些结果表明,这种旋转盘的反应器是一种很适合大尺寸载盘的系统,完全满足Ⅲ族氮化物材料体系生长的要求.与在小反应器中生长的材料相比,用这种大反应器生长的材料具有相同的质量.这种325mm的GaN反应器将使制备蓝光和绿光LED所用的Ⅲ族氮化外延材料的生产成本得到显著的降低.     

高温压电材料、器件与应用

作为重要的功能材料,压电材料已经在国民经济的多个领域里有着重要应用.随着现代工业的快速发展,特别是新能源、交通和国防工业的高速发展,功能材料的应用已经从常规使用转向极端环境下的服役.本文综述了具有高居里点的压电材料,包括钙钛矿型压电陶瓷、铋层状结构氧化物压电陶瓷、钨青铜结构压电陶瓷以及非铁电压电单晶等;介绍了其晶体结构特征和高温压电性能、最新研究进展,并列举了一系列的高温压电器件和应用,包括高温压电探测器、传感器、换能器和驱动器等.另外,本文总结了高温压电材料的热点研究问题,并展望了今后的发展方向.     

在6H-SiC衬底上用低压MOVPE法生长AlN和GaN的过程中用(AlN/GaN)多层缓冲层来控制残余应力

人们已提出用BAlGaN四元系材料制备紫外光谱区的光发射器件.GaN和AlN二元系是这种四元材料在器件应用中的基础材料.6H-SiC衬底在氮化物生长中因其晶格失配小是一大优势,而且SiC衬底的热膨胀系数也和AlN的很接近.然而,对于AlN外延层来说,需要控制其中的残余应力,因为在SiC衬底上直接生长的AlN外延层中存在着因晶格失配所产生的压缩应力.另一方面,在SiC衬底上直接生长的GaN外延层中存在着拉伸应力.这种拉伸应力起源于GaN比衬底有着更大的热膨胀系数.本文讨论了在6H-SiC衬底上生长的氮化物外延层中残余应力的类型、数量及控制.为此目的,提出了在6H-SiC衬底上,无论是生长AlN,还是生长GaN,都可以采用(GaN/AlN)多层缓冲层的办法,作为控制残余应力的有效方法.我们还讨论了AlN和GaN外延层的结晶质量和残余应力间的关系.     

Growth of gallium nitride epitaxial layers and applications

The lack of appropriate substrates has delayed the realisation of devices based on IIInitrides. Currently, the heteroepitaxial growth of GaN by metal organic vapour phase epitaxy (MOVPE) produces GaN layers which, despite huge densities of dislocations, allow the fabrication of highly efficient optoelectronic devices. Henceforth, a new technology in heteroepitaxy of GaN, the epitaxial lateral overgrowth (ELO) has produced GaN layers in which the density of dislocations has been reduced by several orders of magnitude. With the ELO, nitride based laser diodes (LDs) working at room temperature in cw mode with a lifetime of 10,000 hours have been demonstrated by Nichia. In addition to LDs, IIInitrides presently offer a wide range of applications in optoelectronics (high brightness light emitting diodes (LEDs), from amber to UV, solar blind detectors); in electronics, high temperature/high power field effect transistors (FETs). The development of molecular beam epitaxy (MBE) of nitrides has been hindered during several years by the lack of an efficient nitrogen source. This problem being solved, MBE has recently demonstrated state-of-theart quantum well and quantum dot heterostructures, and 2D electron gas heterostructures.     

石英衬底上GaN薄膜沉积及其光学性能的研究

GaN薄膜材料广泛应用于发光二极管(LED),激光二极管(LD)等光电器件。但是GaN基器件的制备与应用以及器件推广很大一部分取决于其器件的价格,常用的方式是在单晶蓝宝石衬底上沉积制备GaN薄膜样品,单晶蓝宝石衬底晶向择优,可以制备出高质量的GaN薄膜样品,但是单晶蓝宝石衬底价格昂贵,一定程度上限制了其GaN基器件推广使用。如何在廉价衬底上直接沉积高质量的GaN薄膜,满足器件的要求成为研究热点。石英玻璃价格廉价,但是属于非晶体,没有择优晶向取向,很难制备出高质量薄膜样品。本研究采用等离子体增强金属有机物化学气相沉积系统在非晶普通石英衬底上改变氮气反应源流量低温制备GaN薄膜材料。制备之后采用反射高能电子衍射谱、X射线衍射光谱、室温透射光谱和光致光谱对制备的薄膜进行系统的测试分析。其结果表明：在氮气流量适当的沉积参数条件下,所制备的薄膜具有高C轴的择优取向,良好的结晶质量以及优异的光学性能。     

1.2kW C波段固态高效率GaN微波源研制

针对传统大功率Si,GaAs固态微波源效率低和高温度性能差的不足,采用导热系数优良的宽禁带GaN单元功放模块集成、低损耗同轴波导径向空间功率合成方法,研制出一种1.2kW全固态C波段高效率宽禁带GaN微波源。实验结果表明:该方法实现了大功率固态微波源高效率及连续长时间高温风冷散热运行,系统安全可靠。单路功放模块集成6位移相器,移相精度5.6°,增益35dB,输出功率大于31W。系统连续波输出功率1.2kW,总效率30%,谐波抑制-54.8dBc;杂散-63.69dBc,相位噪声-94.03dBc/Hz@1kHz。     

Ga vacancy induced ferromagnetism enhancement and electronic structures of RE-doped GaN

Because of their possible applications in spintronic and optoelectronic devices, GaN dilute magnetic semiconductors (DMSs) doped by rare-earth (RE) elements have attracted much attention since the high Curie temperature was obtained in RE-doped GaN DMSs and a colossal magnetic moment was observed in the Gd-doped GaN thin film. We have systemically studied the GaN DMSs doped by RE elements (La, Ce–Yb) using the full-potential linearized augmented plane wave method within the framework of density functional theory and adding the considerations of the electronic correlation and the spin-orbital coupling effects. We have studied the electronic structures of DMSs, especially for the contribution from f electrons. The origin of magnetism, magnetic interaction and the possible mechanism of the colossal magnetic moment were explored. We found that, for materials containing f electrons, electronic correlation was usually strong and the spin–orbital coupling was sometimes crucial in determining the magnetic ground state. It was found that GaN doped by La was non-magnetic. GaN doped by Ce, Nd, Pm, Eu, Gd, Tb and Tm are stabilized at antiferromagnetic phase, while GaN doped by other RE elements show strong ferromagnetism which is suitable materials for spintronic devices. Moreover, we have identified that the observed large enhancement of magnetic moment in GaN is mainly caused by Ga vacancies (3.0μB per Ga vacancy), instead of the spin polarization by magnetic ions or originating from N vacancies. Various defects, such as substitutional Mg for Ga, O for N under the RE doping were found to bring a reduction of ferromagnetism. In addition, intermediate bands were observed in some systems of GaN:RE and GaN with intrinsic defects, which possibly opens the potential application of RE-doped semiconductors in the third generation high efficiency photovoltaic devices.     

MOVPE生长的InGaN/GaN单量子阱的光致发光和光吸收特性

研究了用金属有机物气相外延(MOVPE)法在蓝宝石衬底上生长的In组分浓度保持不变的InGaN/GaN单量子阱结构在室温下的发光特性和光吸收特性.实验结果表明,在InGaN厚度<3nm时,随着样品InGaN势阱层宽度的增加(1nm),光致发光(PL)谱的发光峰值波长出现明显的红移33nm现象,而且发光强度下降8%,谱线半峰全宽(FWHM)展宽,通过对样品的透射、反射光谱研究发现,量子阱层窄(1.5nm)的样品在波长接近红外区时出现无吸收的现象,即R+T达到了100%,而在阱层较宽的样品中没有发现这一现象,对引起这些现象的原因进行了讨论.这些结果有助于开发和优化三族氮化物半导体光电器件的进一步研究工作.     

Superior material qualities and transport properties of InGaN channel heterostructure grown by pulsed metal organic chemical vapor deposition

Pulsed metal organic chemical vapor deposition is introduced into the growth of In Ga N channel heterostructure for improving material qualities and transport properties. High-resolution transmission electron microscopy imaging shows the phase separation free In Ga N channel with smooth and abrupt interface. A very high two-dimensional electron gas density of approximately 1.85 × 1013cm-2is obtained due to the superior carrier confinement. In addition, the Hall mobility reaches 967 cm2/V·s, owing to the suppression of interface roughness scattering. Furthermore, temperature-dependent Hall measurement results show that In Ga N channel heterostructure possesses a steady two-dimensional electron gas density over the tested temperature range, and has superior transport properties at elevated temperatures compared with the traditional Ga N channel heterostructure. The gratifying results imply that In Ga N channel heterostructure grown by pulsed metal organic chemical vapor deposition is a promising candidate for microwave power devices.     

国产SiC衬底上利用AIN缓冲层生长高质量GaN外延薄膜

采用高温AlN作为缓冲层在国产SiC衬底上利用金属有机物化学气相外延技术生长GaN外延薄膜.通过优化AlN缓冲层的生长参数得到了高质量的GaN外延薄膜,其对称(0002)面和非对称(1012)面X射线衍射摇摆曲线的半峰宽分别达到130 arcsec和252 arcsec,这是目前报道的在国产SiC衬底上生长GaN最好的...     

GaN基HEMT器件的缺陷研究综述

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)因具有高输出功率密度、高工作频率、高工作温度等优良特性,在高频大功率等领域具有广泛应用前景。目前,HEMT器件在材料生长和工艺制备方面都取得了巨大的进步。但是,由缺陷产生的陷阱效应一直是限制其发展的重要原因。本文首先论述了HEMT器件中的表面态、界面缺陷和体缺陷所在位置及其产生的原因。然后,阐述了由陷阱效应引起的器件电流崩塌、栅延迟、漏延迟、Kink效应等现象,从器件结构设计和工艺设计角度,总结提出了改善缺陷相关问题的主要措施,其中着重总结了器件盖帽层、表面处理、钝化层和场板结构4个方面的最新研究进展。最后,探索了GaN基HEMT器件在缺陷相关问题上的未来优化方向。     

AlGaN/GaN双异质结F注入增强型高电子迁移率晶体管

理论模拟了不同GaN沟道厚度的双异质结(AlGaN/GaN/AlGaN/GaN)材料对高电子迁移率晶体管(HEMT)特性的影响,并模拟了不同F注入剂量下用该材料制作的增强型器件的特性差异.采用双异质结材料,结合F注入工艺成功地研制出了较高正向阈值电压的增强型HEMT器件.实验研究了三种GaN沟道厚度制作的增强型器件直流特性的差异,与模拟结果进行了对比验证.采用降低的F注入等离子体功率,减小了等离子体处理工艺对器件沟道迁移率的损伤,研制出的器件未经高温退火即实现了较高的跨导和饱和电流特性.对14 nm GaN沟道厚度的器件进行了阈值电压温度稳定性和栅泄漏电流的比较研究,并且分析了双异质结器件的漏致势垒降低效应.     

Si衬底GaN基LED的结温特性

结温是发光二极管的重要参数之一,它对器件的内量子效率、输出功率、可靠性及LED的其他一些性能有很大的影响。首次报道Si衬底GaN基LED的结温特性。利用正向压降法测量Si衬底上GaN基LED的结温,通过与蓝宝石衬底上GaNLED的结温比较,发现Si衬底GaNLED有更低的结温,原因归结为Si有更好的导热性。同时也表明:用Si作GaNLED的衬底在大功率LED方面具有更大的应用潜力。