REBa2Cu3O7-δ/MgO液相外延生长初始阶段的物理化学研究

本文综述了RE(RE＝Y,Nd)BCO高温超导体厚膜在MgO基片上液相外延生长(Liquid Phase Epitaxy,LPE)的初始阶段研究.外延生长初始阶段直接发生在种膜或者基片上,是整个生长过程最为特殊的阶段,对整个生长过程和晶体质量都有很大的影响.在不同生长条件下,探讨此阶段中熔体/厚膜/种膜/基板间的相互依赖关系及对生长机制的影响,包括:籽晶的部分溶化,基片的回溶,晶粒的优先溶化/生长, 熔体包裹物的形成以及异质种膜外延生长的机制等.     

4H-SiC半导体同质外延生长技术进展

4H-SiC(碳化硅)半导体是制作高温、高频、大功率电力电子器件的理想电子材料,近20年来材料生长技术水平不断提升,材料品质逐步提高.本文首先介绍了4H-SiC半导体同质外延生长的必要性,结合SiC多晶型的结构特点,介绍了4H-SiC外延生长过程中的原位掺杂浓度控制、扩展缺陷控制、点缺陷控制及高速生长控制方面的技术进展.同时,介绍了国产4H-SiC外延产业化的现状.     

宽周期掩膜法HVPE侧向外延自支撑GaN的研究

GaN膜在传统生长过程中主要通过异质外延获得,这往往会产生晶格失配和热失配,给GaN带来严重的位错和应力。目前降低位错最广泛的方法是使用侧向外延技术。在这项工作中,首先在蓝宝石基GaN衬底上沉积了一层SiO₂,并用光刻的方法将其制备成高掩膜宽度(窗口宽度20 μm/掩膜宽度280 μm)的宽周期掩膜,再通过氢化物气相外延(HVPE)侧向外延了厚度为325 μm的GaN厚膜,通过胶带可以将其进行剥离形成自支撑衬底。同时通过二维的Wulff结构图研究了GaN生长过程中晶面的变化趋势。宽周期掩膜法对于生长可剥离的低位错密度自支撑GaN有着重大意义。     

偏4°4H-SiC同质外延层上新形貌三角形缺陷研究

利用水平热壁CVD方法,基于SiH4-C3 H8-H2生长系统在n型4H-SiC偏4°衬底上进行同质外延生长.通过Nomarski光学显微镜、激光共聚焦显微镜和拉曼散射光谱(Raman),对外延层中的新形貌三角形缺陷——顶端有倒金字塔结构的三角形缺陷(IPRTD)的表面形貌、结构进行了表征,并根据表征结果提出了该新形貌三角形缺陷的产生机理.研究结果表明,IPRTD由3C-SiC晶型构成;在外延生长中,位于IPRTD生长方向上游的位错缺陷所引起的表面吸附原子的2D成核生长是导致3C-SiC晶型出现的主要原因.同时,外延生长过程中,生长速率和氢气刻蚀作用在[1120]和[1100]/[1100]方向上的差异是导致IPRTD顶端具有倒金字塔结构的主要原因.     

PVT法AlN单晶生长技术研究进展及其面临挑战

氮化铝(AlN)具有超宽禁带宽度(6.2 eV)、高热导率(340 W/(m·℃))、高击穿场强(11.7 MV/cm)、良好的紫外透过率、高化学和热稳定性等优异性能,是氮化镓基(GaN)高温、高频、高功率电子器件以及高Al组分深紫外光电器件的理想衬底材料.物理气相传输(PVT)法是制备大尺寸高质量AlN单晶最有前途的方法.本文介绍了AlN单晶的晶体结构、基本性质及PVT法生长AlN晶体的原理与生长习性.基于AlN单晶PVT生长策略,综述了自发形核工艺、同质外延工艺及异质外延工艺的研究历程,各生长策略的优缺点及其最新进展.最后对PVT法生长AlN单晶的发展趋势及其面临的挑战进行了简要展望.     

反应烧结碳材料表面异质外延生长SiO2晶体的研究

利用高温反应烧结在不同结构碳材料表面热蒸发进行二氧化硅(SiO2)晶体的外延生长.采用X-射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和电子能谱仪(EDS)分析和研究了碳材料表面生成物的物相组成与显微形貌,探讨了SiO2晶体的外延生长机理.研究结果表明,不同结构碳材料表面能外延生长SiO2晶体,但形态不同.在碳纤维表面形成颗粒和短晶须状SiO2晶体,在石墨片上形成凸起团聚状SiO2晶体,而在金刚石表面首先形成了Si-O涂层,然后在Si-O涂层上生长棒状SiO2体.碳材料外延生长SiO2晶体是首先通过热蒸发法使Si沉积到碳材料表面,然后Si与体系中的O反应形成SiO2晶核,在不同结构碳材料表面生长SiO2晶体.     

MOCVD外延生长原位光致发光谱测量方法

为了实现MOCVD外延生长过程中的PL谱原位测量.利用经过特殊改造的M680红外测温石英光学探针、分支石英光纤、半导体激光器、光谱仪、OD值为6的单波陷波滤光片,在THOMAS SWAN CCS型MOCVD反应室上实现了Si(111)衬底GaN基InGaN/GaN MQW外延生长过程原位PL谱测量.研究结果表明:该原位PL谱测量系统,能够实现激发光的导人、PL谱信号的收集、反射激光及杂散光的过滤;当温度降低至600℃以下时,MOCVD反应室内红外辐射对PL测量的影响可以忽略;该原位PL谱测量方法可推广至Al2O3衬底外延生长.该研究可为MOCVD原位PL谱测量设备开发提供参考.     

LPE InAsPSb外延层组分分布的均匀性的研究

本文采用ＬＰＥ生长技术，分析，研究了降温，恒温两种方法生长的ＩｎＡｓＰＳｂ外延层组分分布。实验结果表明，用恒温方法生长的外延层，Ｐ、Ｓｂ组分分布均匀不变。     

热丝CVD法在单晶硅衬底上低温外延生长Si和Ge薄膜的研究

采用热丝CVD法在单晶Si衬底上进行了Si和Ge 薄膜的低温外延生长,用XRD和Raman谱对其结构性能进行了分析.结果表明:在衬底温度200 ℃时,Si(111)单晶衬底上外延生长出了Raman峰位置为521.0 cm-1;X射线半峰宽(FWHM)为5.04 cm-1.结晶质量非常接近于体单晶的(111)取向的本征Si薄膜;在衬底温度为300 ℃时,在Si(100)单晶衬底上异质外延,得到了Raman峰位置为300.3 cm-1的Ge薄膜,Ge薄膜的晶体取向为Ge(220).研究表明热丝CVD是一种很好的低温外延薄膜的方法.     

基于碳化硅衬底的宽禁带半导体外延

宽禁带半导体具备禁带宽度大、电子饱和飘移速度高、击穿场强大等优势,是制备高功率密度、高频率、低损耗电子器件的理想材料。碳化硅(SiC)材料具有热导率高、化学稳定性好、耐高温等优点,在SiC衬底上外延宽禁带半导体材料,对充分发挥宽禁带半导体材料的优势,并提升宽禁带半导体电子器件的性能具有重要意义。得益于SiC衬底质量持续提升及成本不断降低,基于SiC衬底的宽禁带半导体电子市场占比呈现逐年增加的态势。在SiC衬底上外延生长高质量的宽禁带半导体材料是提高宽禁带半导体电子器件性能及可靠性的关键瓶颈。本文综述了近年来国内外研究者们在SiC衬底上外延SiC、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga₂O₃)所取得的研究进展,并展望了SiC衬底上宽禁带半导体外延的发展及应用前景。     

Selective epitaxy and lateral overgrowth of 3C-SiC on Si – A review

This review article attempts to present a comprehensive picture of the progress in selective epitaxial growth (SEG) of cubic silicon carbide (3C-SiC) to make it a cheap and practical material for high temperature and high power, high frequency and MEMS (Micro Electromechanical Systems) applications. Selective epitaxial growth followed by epitaxial lateral overgrowth (ELO) is a suitable approach to minimize the interfacial defects and other planar defects in case of thin film growth. Different techniques of SEG and its application to Si, GaAs and III–V nitrides are reviewed briefly in the first section of this article. Various SEG techniques like epitaxial lateral overgrowth, pyramidal growth and pendeo epitaxial growth, etc. have been discussed extensively for growing 3C-SiC on Si, together with the characterization of the grown films. The influence of various experimental parameters such as temperature of growth, choice of mask material, influence of an etchant, pattern shape and size, etc. is also discussed. On the basis of these data, it is believed that SEG and related techniques are a promising approach for heteroepitaxial growth of 3C-SiC films useful for devices and MEMS applications.     

高温溶液法生长SiC单晶的研究进展

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料,不仅禁带宽度较大,还兼具热导率高、饱和电子漂移速率高、抗辐射性能强、热稳定性和化学稳定性好等优良特性,在高温、高频、高功率电力电子器件和射频器件中有很好的应用潜力。高质量、大尺寸、低成本SiC单晶衬底的制备是实现SiC器件大规模应用的前提。受技术与工艺水平限制,目前SiC单晶衬底供应仍面临缺陷密度高、成品率低和成本高等问题。高温溶液生长(high temperature solution growth, HTSG)法生长SiC单晶具有晶体结晶质量高、易扩径、易实现p型掺杂等独特的优势,有望成为大规模量产SiC单晶的主要方法之一,目前该方法的主流技术模式是顶部籽晶溶液生长(top seeded solution growth, TSSG)法。本文首先回顾总结了TSSG法生长SiC单晶的发展历程,接着介绍和分析了该方法的基本原理和生长过程,然后从晶体生长热力学和动力学两方面总结了该方法的研究进展,并归纳了该方法的优势,最后分析了TSSG法生长SiC单晶技术在未来的研究重点和发展方向。     

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...     

Vapour phase growth of epitaxial silicon carbide layers

After a brief overview of different epitaxial layer growth techniques, the homoepitaxial chemical vapour deposition (CVD) of SiC with a focus on hot-wall CVD is reviewed. Step-controlled epitaxy and site competition epitaxy have been utilized to grow polytype stable layers more than 50 μm in thickness and of high purity and crystalline perfection for power devices. The influence of growth parameters including gas flow, C/Si ratio, growth temperature and pressure on growth rate and layer uniformity in thickness and doping are discussed. Background doping levels as low as 10¹⁴ cm⁻³ have been achieved as well as layers doped over a wide n-type (nitrogen) and p-type (aluminium) range.

Furthermore the status of numerical process simulation is mentioned and SiC substrate preparation is described. In order to get flat and damage free epi-ready surfaces, they are prepared by different methods and characterised by atomic force microscopy and by scanning electron microscope using channelling patterns. For the investigation of defects in SiC high purity CVD layers are grown. The improvement of the quality of bulk crystal substrates by micropipe healing and so-called dislocation stop layers can further decrease the defect density and thus increase the yield and performance of devices. Due to its high growth rate functionality and scope for the use of multi-wafer equipment hot-wall CVD has become a well-established method in SiC-technology and has therefore great industrial potential.     

大尺寸电阻加热式碳化硅晶体生长热场设计与优化

大尺寸低缺陷碳化硅(SiC)单晶体是功率器件和射频(RF)器件的重要基础材料,物理气相传输(physical vapor transport, PVT)法是目前生长大尺寸SiC单晶体的主要方法。获得大尺寸高品质晶体的核心是通过调节组分、温度、压力实现气相组分在晶体生长界面均匀定向结晶,同时尽可能减小晶体的热应力。本文对电阻加热式8英寸(1英寸=2.54 cm)碳化硅大尺寸晶体生长系统展开热场设计研究。首先建立描述碳化硅原料受热分解热质输运及其多孔结构演变、系统热输运的物理和数学模型,进而使用数值模拟方法研究加热器位置、加热器功率和辐射孔径对温度分布的影响及其规律,并优化热场结构。数值模拟结果显示,通过优化散热孔形状、保温棉的结构等设计参数,电阻加热式大尺寸晶体生长系统在晶锭厚度变化、多孔介质原料消耗的情况下均能达到较低的晶体横向温度梯度和较高的纵向温度梯度。     

Thermodynamic analysis of the Gas Phase at the Dissociative Evaporation of Silicon Carbide

The thermodynamic analysis of the gas phase at the dissociative evaporation of SiC in the temperature interval (1500–3150) K is carried out. On the basis of the obtained results of the thermodynamic analysis the composition of the equilibrium gas phase above silicon carbide and the “extents of development” of reactions of silicon carbide dissociation and evaporation are determined. The thermodynamic analysis shows that the composition and the stoichiometry of the gas phase above silicon carbide strongly depend on the temperature, and this dependence it is necessary to be taken into account in the analysis of the growth processes of silicon carbide monocrystals and epitaxial layers.     

人造金刚石单晶薄膜的制备及表面形貌优化

人造金刚石作为一种高效的热管理衬底,在宽禁带半导体电子器件领域具有广泛的应用前景。然而微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法外延金刚石单晶的生长速率慢,表面粗糙度高,难以满足半导体器件的衬底需求。对此,本文采用MPCVD法制备金刚石单晶薄膜,通过分阶段生长监控样品的生长速率,结合显微镜照片和AFM表征样品的表面形貌和表面粗糙度,根据拉曼光谱和XRD分析外延薄膜的晶体质量,最终采用高/低甲烷浓度的两步法外延工艺,实现了金刚石单晶薄膜的高速外延,生长速率达到20 μm/h,同时获得了较为平整的表面形貌。本文所研究的甲烷调制两步法外延工艺能够起到表面形貌优化的作用,有利于在后续的相关器件研发中提供平整的金刚石衬底,推动高功率电子器件的发展。     

液相外延技术发展现状

本文介绍了液相外延技术在制备硅材料、碲镉汞材料、石榴石型单晶材料、III-V族半导体材料和其他一些无机材料方面的应用,简述了液相外延技术近十多年来在系统改善、工艺改进和相关理论研究方面的成果,并指出了液相外延技术相对于其他外延技术的优势及其发展需要克服的困难.     

Investigation of nitrogen solubility process in silicon carbide

On the basis of the epitaxial layers of SiC (N) grown from vapour phase by the sublimation method in a temperature interval (1900–2200) °C and at nitrogen partial pressures from 4 to 760 Torr has been determined the dependence of the nitrogen content in the epitaxial layers of SiC(N) on the nitrogen partial pressure and the temperature of growing. A thermodynamics analysis of the nitrogen solubility process in silicon carbide has been developed taking account of the electron-hole interaction. The experimental and calculation results, we have obtained, allowed us to determine the partial mol solubility heat of nitrogen in SiC.