氮化镓单晶生长研究进展

氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体核心材料之一,具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优良特性,是制作宽波谱、高功率、高效率光电子、电力电子和微电子的理想材料.受制于氮化镓单晶衬底的尺寸、产能及成本的影响,当前的GaN基器件主要基于异质衬底(硅、碳化硅、蓝宝石等)制作而成,GaN单晶衬底的缺乏已成为制约GaN器件发展的瓶颈.近年来,国内外在GaN单晶衬底制备方面取得了较大的进展.本文综述了氮化镓单晶生长的最新进展,包括氢化物气相外延法、氨热法和钠助熔剂法的研究进展,分析了各生长方法面临的挑战与机遇,并对氮化镓单晶材料的发展趋势讲行了展望.     

苏州纳米所GaN/Si功率开关器件研究获得重要突破

随着能效标准不断提高,基于硅(Si)材料的功率器件改进空间越来越小;人们将目光投向新材料领域,以期实现根本改进,从而引发新一代功率器件技术的革命性突破。众多新材料中,基于氮化镓(GaN)的复合材料最引人关注。GaN基功率器件具有击穿电压高、电流密度大、开关速度快、工作温度高等优点,性能远优     

氢化物气相外延生长氮化镓单晶衬底的研究进展

氮化镓(GaN)晶体是制备蓝绿光激光器、射频微波器件以及电力电子等器件的理想衬底材料,在激光显示、5G通讯及智能电网等领域具有广阔的应用前景.目前市场上的氮化镓单晶衬底大部分都是通过氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)方法生长制备的,在市场需求的推动下,近年来HVPE生长技术获得了快速的发展.本论文综述了近年来HVPE方法生长GaN单晶衬底的主要进展,主要内容包含HVPE生长GaN材料的基本原理、GaN单晶中的掺杂与光电性能调控、GaN单晶中的缺陷及其演变规律和GaN单晶衬底在器件中的应用.最后对HVPE生长方法的发展趋势进行了展望.     

氮化镓单晶衬底制备技术发展与展望

氮化镓(GaN)是第三代半导体材料中的典型代表.因其良好的物理化学性能与热稳定特性,是制作光电子器件及电力电子器件的理想材料.采用同质外延技术在GaN单晶衬底上制备GaN基器件是实现其高性能的根本途径.本文综述了GaN单晶衬底制备的氢化物气相外延技术、三卤化物气相外延技术、氨热法及助熔剂法(钠流法)的研究进展,并对未来可能的发展方向提出了展望.     

苏州纳米所在增强型GaN HEMT器件研究方面取得进展

<正>由于GaN具有大禁带宽度、高电子迁移率、高击穿场强等优点,GaN HEMT成为新一代功率器件研究的热点。由于极化作用,AlGaN/GaN异质结界面会形成高浓度的二维电子气,浓度可达到1013/cm~2量级,因此一般的GaN HEMT都是耗尽型器件。如何实现增强型GaN HEMT一直是该领域研究的难点,目前几种主要用来制备增强型器件的方案包括:p型栅、凹槽栅、F处理和Cascode结构。其中,p型栅的方案已经被很     

氮化镓单晶的液相生长

氮化镓(GaN)具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优良特性,是制作宽波谱、高功率、高效率光电子、电力电子和微电子的理想衬底材料.除气相法(包括HVPE(氢化物气相外延)、MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)、MBE(分子束外延))生长GaN单晶外,液相法(包括氨热法和助熔剂法)近几年在制备GaN单晶方面取得了较大的进展.本文介绍了氨热法和助熔剂法的生长原理、装备特点及生长习性;综述了两种液相生长方法的研究历程及研究进展,并对液相法生长GaN单晶的发展趋势及主要挑战进行了展望.     

Li原子掺杂C28单分子器件的热自旋输运性质

利用第一性原理对Li原子掺杂C₂₈的分子器件的热自旋输运性质进行了计算。在不同的温度场下,上下自旋分别为Li原子掺杂C₂₈的分子器件中的空穴和电子提供了输运通道,在MJ₁和MJ₃分子器件中,热自旋电流随着温度增加而增大,但在MJ₂分子器件中,热自旋电流先增大再减小。三种分子器件都出现了自旋塞贝克效应,MJ₂还出现了负微分电阻现象,利用费米-狄拉克分布和自旋输运谱对其物理机理进行了解释。根据Li掺杂C₂₈的单分子器件的热自旋输运性质,可设计新的自旋纳米器件。     

双向低触发电压横向晶闸管放电管研究

依据触发电压V_S、触发电流I_S、维持电流I_H及触发电压、维持电流高低温变化率指标要求,利用Silvaco-TCAD半导体器件仿真软件完成了双向低触发电压横向晶闸管(SCR)放电管的设计。详细分析了对触发特性产生显著影响的结构参数(N^-衬底区、寄生PNP晶体管P^-集电区、寄生NPN晶体管P^-基区、N⁺阴极区、N⁺触发区、寄生PNP晶体管P^-集电区与寄生NPN晶体管P^-基区间距、寄生NPN晶体管表面基区宽度)对器件输出I-V特性及抗瞬态电流烧毁能力的影响。根据设计得到的器件结构参数,绘制版图、制定双向低触发电压横向SCR放电管工艺方案并进行试制。通过实际流片,对关键的设计及工艺进行攻关,研制出样片触发电压V_S、触发电流I_S、维持电流I_H及触发电压、维持电流高低温变化率完全满足电参数指标要求。     

异质衬底上HVPE法生长GaN厚膜的研究进展

氮化镓基(GaN)光电器件的快速发展,对GaN的质量提出更高的要求,同质外延可以避免由于失配引起的缺陷,厚膜生长是解决GaN体材料生长困难的有效手段.氢化物气相外延(HVPE)是目前最普遍的制备氮化镓厚膜的方法.衬底对于GaN厚膜的影响不可忽视,本文总结了在蓝宝石、碳化硅和铝酸锂衬底上制备GaN厚膜的研究进展,讨论了今后的研究方向.     

溅射羽辉与基底夹角对掺氧二硫化钼薄膜光学性质的影响

二硫化钼(MoS₂)在环境中的热稳定性和化学稳定性好,迁移率相对较高,已应用于气体传感器、光电探测器和场效应管等器件的研制。采用氧气辅助技术生长的氧掺杂MoS₂(MoS_2-xO_x)不仅可以调控MoS₂单晶尺寸,还能提高MoS₂单晶光致发光强度。本文采用射频反应磁控溅射技术、自然环境中氧化和热退火工艺,改变溅射羽辉与玻璃基底夹角来制备MoS_2-xO_x薄膜并研究其光学性质。采用X射线光电子能谱分析了样品的元素和价态;扫描电子显微镜观测的结果表明,溅射羽辉与基底成45°(θ=45°)时表面形貌为最优;紫外-可见分光光度计的测试结果表明,随着厚度和氧含量的增加,MoS_2-xO_x薄膜的光学带隙减小;采用COMSOL Multiphysics软件模拟了MoS_2-xO_x薄膜光学透过率,理论和实验结果相吻合。本文的研究结果将为MoS_2-xO_x薄膜在光学领域的应用提供科学参考。     

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。     

Polarization induced 2D hole gas in GaN/AlGaN heterostructures

The generation of high density 2D hole gases is crucial for further progress in the electronic and optoelectronic nitride devices. In this paper, we present systematic theoretical studies of Mg-doped GaN/AlGaN gated heterostructures and superlattices. Our calculations are based on a self-consistent solution of the multiband k.p Schrödinger and Poisson equation and reveal that the hole 2D sheet density is mainly determined by the polarization induced interface charges. For an aluminium concentration of 30%, the induced hole density in the heterostructure can reach values up to 1.5×10¹³ cm⁻². In the GaN/AlGaN superlattices, the hole sheet density increases with the superlattice period and saturates for a period of 40 nm at a value of 1.5×10¹³ cm⁻².     

基于钠助熔剂法的GaN单晶生长研究进展

宽禁带氮化镓(GaN)材料以其独特的性质和应用前景成为国内外研究的热点,高质量GaN单晶衬底的制备是获得性能优异的光电子器件和功率器件的基础。钠助熔剂法生长条件温和,易获得高质量、大尺寸的GaN单晶,是一种具有广阔商业化前景的GaN单晶生长方法。钠助熔剂法自20世纪90年代末期被发明以来,经过20多年的发展,钠助熔剂法生长的晶体在尺寸与质量上都取得了长足的进步。本文从晶体生长原理和关键工艺(籽晶选择、温度梯度以及添加剂)等方面综述了钠助熔剂法生长GaN单晶研究进展,并对其面临的挑战和未来发展趋势进行了展望。     

2 dimensional electron gas uniformity of GaN HFET layers on SiC

As GaN power transistor technology matures it is increasingly important to understand any links between substrate “quality”, epi-layer growth and electrical characteristics of the 2-dimensional electron gas (2DEG), which forms the active part of devices. We present a study, which makes use of full wafer mapping techniques to examine these relationships. Substrate off-cut is shown to be an important parameter in controlling the uniformity of GaN HFET device layers on SiC substrates.     

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。     

Ammonothermal crystal growth of gallium nitride – A brief discussion of critical issues

The acidic ammonothermal technique is used to develop a technology for production of free-standing gallium nitride (GaN) crystals to match the demand driven by the device technology for the wide-band-gap semiconductor group-III element nitrides. Here we report on advances toward a deeper understanding of parameters that govern mass transport and seeded crystallization of GaN under the conditions of acidic ammonothermal crystal growth with the ultimate goal to improve the process control. Comparison with the basic ammonothermal environment has been made.     

金刚石衬底上GaN HEMT沟道温度建模:各向异性且非均匀热导率的影响

为了改善GaN HEMT的自热效应,集成高热导率的金刚石衬底有助于增强器件有源区的热量耗散。然而,化学气相淀积(CVD)生长的多晶金刚石(PCD)具有柱状晶粒结构,导致了各向异性的材料热导率,且其热导率值与生长厚度有关。为此,通过建模金刚石生长过程中晶粒尺寸的演变过程,计算了金刚石沿面内和截面方向的热导率。基于该PCD热导率模型,利用计入材料非线性热导率的GaN器件热阻解析模型,计算得到了GaN HEMT沟道温度的波动范围,并分析了其与器件结构(栅长、栅宽、栅间距、衬底厚度)和功耗的依赖关系。最后,通过与有限元(FEM)仿真结果对比,分区域提取了GaN HEMT器件中PCD衬底的有效热导率,分别为260~310 W/(m·K)和1 250~1 450 W/(m·K)。本文的计算为预测金刚石衬底上GaN HEMT器件的沟道温度提供了快速、有效的方法。     

InGaN/GaN微米阵列结构的生长及发光性能研究

采用金属有机化学气相外延技术,在图形化蓝宝石衬底上通过选区外延可控生长了三种不同形貌的InGaN/GaN微米阵列结构,阵列尺寸均为6 μm。其中,六方片状阵列结构以(0001)c面为主,高度为0.6 μm;六棱台状阵列结构包括一个(0001)c面和六个等效的(10-11)半极性面,高度为1.2 μm;六棱锥状阵列结构以(10-11)半极性面为主,高度为5 μm。采用微区光致发光光谱仪对InGaN/GaN微米阵列结构进行发光性能表征,结果表明不同形貌的InGaN/GaN微米阵列结构都可实现多波长发射;阴极荧光光谱结果表明六棱台状InGaN/GaN阵列结构不同晶面位置处发射的波长明显不同,这主要是由于表面迁移效应和横向气相扩散导致各个位置的In组分不同。InGaN/GaN微米阵列结构的成功制备对实现多彩发射和新型光电子器件设计具有重要意义。     

Industrial production of GaN and InGaN-light emitting diodes on SiC-substrates

Blue light emitting diodes (LEDs) based on GaN or InGaN have a large market, e.g. for communication, industry and automotive applications. Since 1998, OSRAM Opto Semiconductors has been producing blue LEDs on a large scale, concentrating on the automotive market. LEDs in the wavelength range 450–480 nm are grown by metalorganic vapour phase epitaxy (MOVPE) on SiC. This substrate material offers many advantages from the epitaxial and device processing points of view. To fulfil the strong consumer recommendations not only do the epitaxial processes have to be developed, but also improvements in chip technology and package design help to stabilise electrical and optical properties on these high level demands. For example, low forward voltages, high light output powers at 20 mA, low reverse currents, long term stability and high electrostatic discharge robustness have to be guaranteed in a temperature range of −55–+85°C and at a maximum humidity of 85%. Electrical and optical parameters were tested on every produced chip not only to remove LEDs before packaging, which do not meet the specifications, but to control and optimise the applied technological steps. As an example we demonstrate a testing method for controlling the process and optimising the p-contact.Optimisation of n- and p-contact as well as the improvement of epitaxy helped to increase the light output power from 1 mW in 1998 to more than 6 mW at present when mounted in a 5 mm radial lamp. All electrical parameters of these high brightness LEDs could also be improved or at least kept in the demanded specification range.