泡生法制备低吸收蓝宝石晶体及其性能研究

为保障我国相关国防重大工程对低吸收蓝宝石晶体材料的需求,本文通过自主研制的晶体生长设备,成功生长了低吸收蓝宝石晶体。该晶体在紫外、可见光、近-中红外波段展现出了良好的透过率,波长250～400 nm的透过率大于83%,波长400～4 200 nm的透过率超过85%。在晶体不同区域进行取样表征测试,得到晶体的平均位错密度为253.19 cm^-2,摇摆曲线对称且峰形尖锐,半峰全宽为14″。此外,值得注意的是,晶体在1 064 nm处的光吸收系数均在(23.3～30.4)×10^-6 cm^-1,表明晶体内部的杂质元素得到有效控制,晶体光学性能优异,可用于高能激光系统、空间相机镜头等应用场景。     

PVT法同质外延制备大尺寸Al极性氮化铝晶体生长工艺及其表征分析研究

本文基于自主设计的氮化铝生长炉,开展了四组不同工艺条件下Al极性面氮化铝籽晶同质外延生长氮化铝单晶的生长特征及其结晶质量表征研究。研究发现:不同工艺条件下生长的晶体的拉曼图谱E₂(high)特征峰峰位表明,晶体内部均存在较小的拉应力;在坩埚顶部在相对较高温度2 210 ℃、坩埚底部与顶部温差42 ℃的低过饱和度生长条件下,晶体表面光滑,呈现阶梯流生长形貌,并具有典型的氮化铝单晶生长习性面,晶体初始扩张角大于40°,高分辨率X射线衍射(HRXRD)测得0002、1012反射摇摆曲线及拉曼光谱检测结果表明,该条件下生长的氮化铝晶体结晶质量优异,并可实现快速扩径。基于该生长条件,通过外延生长后成功获得尺寸ϕ45~47 mm的氮化铝单晶锭,相关表征结果表明生长的氮化铝晶体具有优越的结晶性能。     

4英寸氧化镓单晶生长与性能

本文使用导模法(EFG)制备了4英寸氧化镓(β-Ga₂O₃)单晶,并对晶体物相、结晶质量、缺陷、光学及电学特性进行了研究。晶体不同方向劳厄(Laue)衍射斑点清晰一致,符合β-Ga₂O₃衍射特征。晶体(400)面摇摆曲线半峰全宽(FWHM)为57.57″,通过化学腐蚀获得其腐蚀坑位错密度为1.06×10⁴ cm^-2。晶体在紫外截止边为262.1 nm,对应光学带隙为4.67 eV。通过C-V测试分析获得非故意掺杂晶体中的电子浓度为7.77×10¹⁶ cm^-3。     

ZnGeP2晶体中的晶格振动模拟与光谱分析

ZnGeP₂晶体在9~10 μm的光学吸收限制了其在中远红外波段的应用,该波段吸收与其晶格振动有关。本文通过理论计算与实验相结合的方法,解释了晶体红外截止边和9 μm附近吸收峰的物理机制。通过布里奇曼法生长出ZnGeP₂单晶,并测试生长得到的ZnGeP₂晶体的变温拉曼光谱和变压拉曼光谱,基于第一性原理方法计算了ZnGeP₂布里渊区中心的振动频率,并计算了不同压力下晶体的晶格常数和拉曼位移峰的位置。实验结果与理论计算结果表明:温度升高使得其振动模发生红移,且振动模强度减弱,半峰全宽变大,而压力增大则会引起ZnGeP₂晶体振动模发生蓝移,振动模强度减弱,半峰全宽变大。     

Er掺杂MnBi2Te4晶体生长及其微结构研究

MnBi₂Te₄是首次被发现的一种本征磁性拓扑绝缘体，具有重要的研究意义。本文通过在MnBi₂Te₄晶体中进行稀土元素掺杂，合成了Er掺杂MnBi₂Te₄晶体，Er原子进入晶格并取代Mn位。在晶体制备过程中，考虑到目前晶体制备工艺周期较长，生成物存在Bi₂Te₃助熔剂等杂质的问题，对晶体制备工艺进行了优化探索。XRD测试结果表明，利用改进工艺制备的Er掺杂MnBi₂Te₄晶体结晶性能良好，不含杂质相。磁电输运测量结果显示，少量Er掺杂MnBi₂Te₄晶体的磁性增强，掺杂样品在25.2 K发生反铁磁相变。使用原子力显微镜对Er掺杂MnBi₂Te₄晶体层间距进行了研究，发现层间距为单层MnBi₂Te₄的整数倍。通过拉曼测试研究了Er掺杂MnBi...     

Yb,Ho:GdScO3晶体生长及光谱性能分析

采用提拉法生长出了尺寸为?30 mm×50 mm的Yb, Ho∶GdScO₃晶体。通过X射线衍射得到了晶体的粉末衍射数据,使用GSAS软件进行了全谱拟合,得到了晶体的结构参数。测试了晶体的拉曼光谱,在100～700 cm^-1观察到18个拉曼振动峰。对Yb, Ho∶GdScO₃晶体的光谱特性进行了表征,并计算了Yb³⁺的吸收截面,其在940、975 nm处的吸收截面分别为0.31×10^-20、0.42×10^-20 cm²。采用Judd-Ofelt理论计算了Ho³⁺的跃迁强度参量Ω_t,Ω₄/Ω₆值为2.04,并计算了辐射跃迁概率、能级寿命及荧光分支比等光谱参数。结果表明,Yb, Ho∶GdScO₃晶体的发光性能良好,是一种有前景的2～3μm激光晶体候选材料。     

快速合成立方六面体金刚石大单晶晶体的质量研究

利用高温高压温度梯度法,在优质六面体金刚石大单晶稳定生长的基础上,合理调整晶床高度为5 rmm,在1300～1350℃温度区域30h合成优质六面体晶体重量达2.04克拉,生长速度高达13.6 mg/h.三种晶体样品(本实验合成晶体,日本住友公司合成晶体,元素六公司合成晶体)经显微红外吸收(IR)测试,本实验合成晶体{100}晶面的平均氮含量为240 ppm,高于日本住友和元素六晶体样品的氮含量;三种晶体样品经激光拉曼测试,均在1332 cm-1左右出现了较强的金刚石拉曼标准峰,利用高斯模拟计算出本实验合成晶体拉曼峰的半高宽值为5.570cm-1,大于日本住友晶体样品而小于元素六合成的晶体样品;对三种晶体样品的生长速度、氮含量分布和晶格结晶程度分析,由于本实验合成六面体晶体的生长速度远大于二者,使晶体的晶格结晶程度稍差于日本住友样品而优于元素六晶体,结合激光拉曼图谱分析本实验合成的六面体晶体中有少量杂质存在,或许这些杂质的存在正是导致其{100}晶面氮含量高于日本住友样品氮含量的主要原因.     

溅射功率和溅射时间对Mg2Si纳米晶薄膜结构和电阻率的影响

采用射频磁控溅射在蓝宝石衬底上制备了Mg₂Si纳米晶薄膜,研究了Mg₂Si烧结靶溅射功率(90~140 W)及溅射时间(10~60 min)对Mg₂Si薄膜的结构和电阻率的影响。结果表明:随着溅射功率增加,样品的XRD衍射峰逐渐增强;但当功率超过100 W时,样品中出现了偏析出来的单质Mg。随着溅射时间增加,样品的XRD强度先增强后减弱,溅射时间为40 min时,样品的XRD衍射峰最强;继续增加溅射时间,样品中出现微弱的MgO衍射峰。所有样品均呈现出Mg₂Si晶体的特征拉曼峰,即256 cm^-1附近的F_2g模及347 cm^-1附近的F_1u(LO)模。随着溅射功率增加,样品的电阻率减小;随着溅射时间增加,样品的电阻率先减小后增大,溅射时间为40 min时,样品的电阻率最小。     

多片导模法蓝宝石晶体的缺陷研究

使用导模法(EFG)生长了多片a面蓝宝石晶体。显微拉曼光谱结合电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)测试得出晶体的气泡中可能存在含S化合物。晶体表面明显的生长条纹主要与温度、生长速度的波动以及模具的加工精度有关。化学腐蚀分析表明晶体位错密度在4.2×10⁴ cm^-2,未存在小角度晶界缺陷,双晶摇摆曲线半峰宽(FWHM)为70.63″。由于采用石墨保温材料,晶体中存在F心与F⁺色心。晶体在400~3 000 nm波段透过率高于80%,空气中退火后可减弱色心吸收。本文研究结果可为蓝宝石晶体缺陷形成理论研究提供参考,也可为导模法蓝宝石工业生产技术改进提供借鉴。     

高质量硼掺杂单晶金刚石同质外延及电学性质研究

突破高质量、高效金刚石掺杂技术是实现高性能金刚石功率电子器件的前提。本文利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,以三甲基硼为掺杂源,制备出表面粗糙度0.35 nm,XRD(004)摇摆曲线半峰全宽28.4 arcsec,拉曼光谱半峰全宽3.05 cm^-1的高质量硼掺杂单晶金刚石。通过改变气体组分中硼元素的含量,实现了10¹⁶~10²⁰ cm^-3的p型金刚石可控掺杂工艺。随后,研究了硼碳比、生长温度、甲烷浓度等工艺条件对p型金刚石电学特性的影响,结果表明:在硼碳比20×10^-6、生长温度1 100 ℃、甲烷浓度8%、腔压160 mbar(1 mbar=100 Pa)时p型金刚石迁移率达到207 cm²/(V·s)。通过加氧生长可以提升硼掺杂金刚石结晶质量,降低杂质散射。当氧气浓度为0.8%时,样品空穴迁移率提升至 614 cm²/(V·s)。     

对三联苯有机晶体的生长及性能

对三联苯是一种常见的有机闪烁剂,通常用作闪烁计数器的发光材料。对三联苯闪烁晶体具有对中子探测效率高以及不易潮解等特性,这使其在实际应用中具有广阔的前景。本文采用坩埚下降法,使用单层安瓿成功生长出φ12 mm×30 mm对三联苯晶体。在生长开始前通过差热分析,确定晶体的生长温度。生长完成后测试了晶体粉末的X射线衍射谱、摇摆曲线、红外光谱、荧光光谱和拉曼光谱。X射线衍射结果表明,生长的晶体为纯对三联苯相。从摇摆曲线结果可以看出,生长晶体质量良好。红外和拉曼分析结果显示,峰位并没有出现明显的偏移,表明晶体中杂质含量较少并未引起晶体分子化学结构的变化。荧光光谱没有杂质峰的出现也说明对三联苯晶体存在较少杂质或晶格缺陷。     

氮掺杂对氢终端金刚石射频器件特性的影响

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术,通过改变气源中的氮含量,得到不同结晶质量的单晶金刚石,通过激光切割以及抛光控制样品尺寸为5 mm×5 mm×0.5 mm,然后对样品进行表面氢化处理并研制了金刚石射频器件,系统研究了氮含量对金刚石材料晶体质量和金刚石射频器件性能的影响。随着氮含量的增加,虽然单晶金刚石生长速率有所增加,但是其拉曼半峰全宽(FWHM)、XRD摇摆曲线半峰全宽也逐渐增加,光致发光光谱中对应的NV缺陷逐渐增多,晶体结晶质量逐渐变差,不仅导致沟道载流子的迁移率出现退化,而且也使金刚石射频器件出现了严重的电流崩塌和性能退化问题。通过降低氮浓度,提升材料的结晶质量,沟道载流子迁移率得到显著提升,金刚石射频器件的电流崩塌得到有效抑制,电流增益截止频率f_T和功率增益截止频率f_max分别从17 GHz和22 GHz大幅度提升至32 GHz和53 GHz。     

切割角蓝宝石基氧化镓薄膜MOCVD外延及日盲紫外光电探测器制备

本文使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法在不同切割角的c面蓝宝石衬底上外延氧化镓(β-Ga₂O₃)单晶薄膜，揭示了衬底切割角对外延薄膜晶体质量的影响规律。研究表明，当衬底切割角为6°时，β-Ga₂O₃外延膜具有较小的X射线摇摆曲线半峰全宽(1.10°)和最小的表面粗糙度(7.7 nm)。在此基础上，采用光刻、显影、电子束蒸发及剥离工艺制备了金属-半导体-金属结构的日盲紫外光电探测器，器件的光暗电流比为6.2×10⁶,248 nm处的峰值响应度为87.12 A/W,比探测率为3.5×10¹⁵ Jones,带外抑制比为2.36×10⁴,响应时间为226.2μs。     

原位ATR-IR光谱实时研究DKDP的结晶过程

采用全反模式的红外(ATR-IR)光谱实时研究了不同氘含量KH_2-xD_xPO₄(DKDP)晶体的结晶过程,其中DKDP溶液氘含量范围为0到99%。通过υ₁(PO₄)和υ₃(PO₄)振动表征了DKDP结晶溶液中(H₂PO₄^-)_1-x(D₂PO₄^-)_x离子基团浓度的变化。υ₁(PO₄)振动强度的变化和υ₃(PO₄)振动宽度的变化说明生长溶液中的(H₂PO₄^-)_1-x(D₂PO₄^-)_x离子浓度随着测试时间延长而不断增大。同时,δ(P—O…H/D—O—P)振动峰的形成说明DKDP晶体的生长基元为(H₂PO₄^-)_n-x(D₂PO₄^-)_x离子团簇。波数在1 448 cm^-1到1 653 cm^-1范围内H—O—H和D—O—D振动强度的变化解释了DKDP晶体在结晶过程中氘含量分布不均的现象。     

GaN体单晶的氨热生长及应力调控

采用氨热法在碱性条件下生长了GaN体单晶,SEM照片显示晶体表面有大量裂纹.用拉曼光谱测量GaN晶体的E2 (high)声子拉曼峰,结果表明晶体内部应力波动较大.通过减小温度梯度、籽晶优选及降温程序优化后,得到了无裂纹的氮化镓晶体,(002)和(102)的X射线摇摆曲线FWHM分别为48 arcsec和54 arcsec,显微拉曼光谱表明经过工艺优化后的晶体应力显著降低,应力的来源主要为生长过程中杂质的引入.     

8英寸导电型4H-SiC单晶的生长

采用物理气相传输(PVT)法扩径获得了8英寸(1英寸=2.54 cm)4H-SiC籽晶,用于8英寸导电型4H-SiC晶体生长,并加工出厚度520 μm的8英寸4H-SiC衬底。使用拉曼光谱、全自动显微镜面扫描、非接触电阻率测试仪面扫描和高分辨X射线衍射仪对衬底的晶型、微管、电阻率和结晶质量进行了表征。衬底颜色均一并结合拉曼光谱表明衬底4H-SiC晶型面积比例为100%;衬底微管密度小于0.3 cm^-2;衬底电阻率范围20~23 mΩ·cm,平均值为22 mΩ·cm;(004)面高分辨X射线摇摆曲线半峰全宽为32.7″,表明衬底良好的结晶质量。     

KCaCl3:Ce晶体的生长及发光性能

采用坩埚下降法生长出不同摩尔分数Ce³⁺(1%、2%、4%、6%、8%)掺杂的KCaCl₃:Ce单晶。晶体属于正交晶系,晶胞参数为a=0.756 0 nm,b=1.048 2 nm,c=0.726 6 nm。热重分析仪测得熔点为740 ℃,透过率测试显示晶体在可见光波段均具有较好光学透过率。对晶体的光致发光光谱、光致衰减时间、X射线激发发射光谱、透过率等光学性能进行了表征。光致发光光谱显示KCaCl₃:Ce晶体在358 nm和378 nm波长左右有宽的发射峰,符合Ce³⁺的5d₁→²F_5/2和5d₁→²F_7/2能级跃迁,通过拟合,KCaCl₃:Ce晶体的衰减时间在30 ns左右。晶体在X射线激发下均表现出优异的X射线发光性能。     

8英寸导电型4H-SiC单晶衬底制备与表征

使用物理气相传输法(PVT)通过扩径技术制备出直径为209 mm的4H-SiC单晶,并通过多线切割、研磨和抛光等一系列加工工艺制备出标准8英寸SiC单晶衬底。使用拉曼光谱仪、高分辨X射线衍射仪、光学显微镜、电阻仪、偏光应力仪、面型检测仪、位错检测仪等设备,对8英寸衬底的晶型、结晶质量、微管、电阻率、应力、面型、位错等进行了详细表征。拉曼光谱表明8英寸SiC衬底100%比例面积为单一4H晶型;衬底(004)面的5点X射线摇摆曲线半峰全宽分布在10.44″~11.52″;平均微管密度为0.04 cm^-2;平均电阻率为0.020 3 Ω·cm。使用偏光应力仪对8英寸SiC衬底内部应力进行检测表明整片应力分布均匀,且未发现应力集中的区域;翘曲度(Warp)为17.318 μm,弯曲度(Bow)为-3.773 μm。全自动位错密度检测仪对高温熔融KOH刻蚀后的8英寸衬底进行全片扫描,平均总位错密度为3 293 cm^-2,其中螺型位错(TSD)密度为81 cm^-2,刃型位错(TED)密度为3 074 cm^-2,基平面位错(BPD)密度为138 cm^-2。结果表明8英寸导电型4H-SiC衬底质量优良,同比行业标准达到行业先进水平。     

用于小角散射原位加载测试的单晶金刚石窗口制备工艺研究

根据小角散射原位加载测试的应用需求,采用自行研制的2.45 GHz/6 kW穹顶式微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置进行高质量单晶金刚石窗口的制备,对晶托结构进行改进,并系统研究了沉积温度对单晶金刚石生长速率、表面形貌、结晶质量、X射线透过率的影响.实验结果表明,新型晶托结构使籽晶表面温度分布均匀,有利于提升单晶金刚石结晶质量;沉积温度1000℃下制备单晶金刚石样品表面形貌、拉曼曲线半峰宽、摇摆曲线半峰宽、X射线透过率均优于其它温度的样品,并最终在该温度下制备出Φ7 ×0.5 mm2的单晶金刚石窗口.经测试,样品生长速率可达11.6 μm/h,厚度偏差小于±2;,其Raman半峰宽为2.08 cm-1,XRD摇摆曲线半峰宽为28arcsec,PL谱中未出现与氮相关的杂质峰,X射线透过率超过80;且窗口耐压达到27 MPa,所有性能均满足小角散射原位加载测试的应用需求.     

探测器级单晶金刚石材料的生长

采用高质量高温高压单晶金刚石衬底,通过等离子体环境净化的方法获得高纯、低缺陷密度金刚石材料,有望应用于医疗、核、宇宙射线等辐射探测器.采用微波化学气相沉积方法成功外延生长出了8 mm×8 mm的高质量单晶金刚石材料.晶体内无明显的应力集中区,X射线摇摆曲线(004)峰半高宽0.008°,PL光谱中未见与氮相关杂质,基于电子顺磁共振测试孤氮杂质含量为23ppb.