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.     

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。     

GaN单晶衬底上同质外延界面杂质的研究

氮化镓单晶衬底上的同质外延具有显著的优势,但是二次生长界面上的杂质聚集一直是困扰同质外延广泛应用的难题,特别是对电子器件会带来沟道效应,对激光器应用会影响谐振腔中的光场分布。本文通过金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)生长的原位处理,实现了界面杂质聚集的有效抑制。研究发现,界面上的主要杂质是C、H、O和Si,其中C、H、O可以通过原位热清洗去除;界面Si聚集的问题主要是由衬底外延片保存过程中暴露空气带来的,其次是氮化镓衬底中Si背底浓度,在外延过程中,生长载气对氮化镓单晶衬底不稳定的N面造成刻蚀,释放的杂质元素会对二次生长界面产生影响,本文较系统地阐明了界面杂质的形成机制,并提出了解决方案。     

热丝化学气相法生长单晶金刚石颗粒的衬底温度场仿真及实验研究

本文使用金刚石磨料作为晶种颗粒,通过热丝化学气相法生长出单晶金刚石颗粒,并且建立三维的有限元模型,利用有限元仿真分析了生长过程中影响金刚石磨料生长速率以及沉积质量的各种因素,如热丝的排列方式,衬底的温度场,以及晶种的分布方式.通过固定在热丝CVD反应腔里的热电偶测量了实际的衬底温度分布,从而验证了仿真结果的正确性.另外,通过改变仿真模型优化了沉积单晶金刚石颗粒的工艺参数,获得适应于合成单晶金刚石颗粒的新技术,为化学气相沉积合成单晶金刚石颗粒奠定了基础,也为高温高压金刚石磨料品级的改进与提高提供了新途径.     

改进水平籽晶气相法生长CdSe单晶

采用改进的双温区水平籽晶气相升华法,生长出尺寸为?15 mm ×35 mm的完整CdSe单晶体。经X射线衍射仪、能谱分析仪和傅里叶红外光谱仪的检测,CdSe单晶粉末衍射谱与标准衍射峰吻合较好,单晶摇摆曲线半高宽0.5°;Cd、Se化学计量比等于1∶0.977,接近理想比;晶体在2.5~20.0μm红外波段范围内的透过率T >65;,吸收系数α<0.1 cm-1。这些结果表明,采用本方法生长的晶体结晶性较好、成分均匀、透过率较高,品质良好,这对生长类似高蒸气压、高熔点的III-V、II-VI族晶体,会有所帮助。     

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。     

MPCVD单晶金刚石生长及其电子器件研究进展

本综述分析了微波等离子化学气相沉积(MPCVD)单晶金刚石生长及其电子器件近年来的研究进展,并对其进行展望.详细介绍了金刚石宽禁带半导体特性、生长原理、生长设备、衬底处理.研究了影响MPCVD单晶金刚石生长的关键因素,为获得最优生长条件提供指导.分析了横向外延、拼接生长、三维生长等关键性生长技术,逐步提高单晶金刚石的质量和面积.在金刚石掺杂的研究中,详细介绍了n型和p型掺杂的研究进展.通过对金刚石肖特基二极管、氢终端金刚石场效应晶体管、紫外探测器的研究,展现了金刚石在电子器件领域的成果和进展.最后总结了MPCVD单晶金刚石生长及其电子应用过程中面临的挑战,展望了金刚石在电子器件领域的巨大应用前景.     

HVPE生长室气流分布模拟及GaCl载气流量对GaN单晶生长的影响

采用计算流体力学软件Fluent对HVPE反应室进行了数值模拟,研究了GaCl载气流量对HVPE反应室气流分布的影响,发现GaCl载气流量是影响GaCl和NH3在衬底上均匀分布的重要因素.采用HVPE方法在不同GaCl载气流量下生长GaN单晶,研究了GaCl载气流量对GaN单晶质量的影响,得到了与模拟一致的结果.     

ZnO纳米棒在Si衬底上外延生长研究

运用热蒸发ZnO粉末法,以金做催化剂,分别在Si(100)和Si(111)两种基片上外延生长了ZnO纳米棒(样品分别标为1#和2#).通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析,结合ZnO与Si的晶格结构特征,从理论上得出了两个样品的晶格匹配关系.1#样品:[0001]ZnO∥[114]Si,[0001]ZnO∥[1-1-4]Si,[0001]ZnO∥[11-4]Si,[0001]ZnO∥[1-14]Si,失配度为1.54;;2#样品:[0001]ZnO∥[111]Si,[21-1-0]ZnO∥[11-0]Si,[1-21-0]ZnO∥[1-01]Si ,[1-1-20]ZnO∥[011-]Si,失配度为18.12;.研究表明Si衬底对ZnO纳米棒生长方向具有调控作用.     

不同温度下同质外延生长单晶金刚石的应力分析

本文利用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)对不同温度区间下同质外延单晶金刚石的应力作出了相关研究,讨论了不同温度区间下单晶金刚石内部产生应力的原因.结果表明在低温区间(700～ 720℃)与高温区间(870 ～890℃)下生长金刚石内部均产生裂纹,总应力以本征应力为主,且以拉应力形式呈现.低温区间(700～720℃)下由于内部石墨杂质的生成使之产生过大的拉应力,而高温区间(870 ～890℃)下则是由于单晶金刚石生长面多晶点的出现导致拉应力集中从而产生裂纹.在合适的温度区间(770 ～830℃)下能同质外延生长出无裂纹高质量的单晶金刚石,总应力较小且热应力为主,以压应力形式呈现.     

Nucleation of GaN on sapphire substrates at intermediate temperatures by Hydride Vapor Phase Epitaxy

A novel approach to deposit GaN layers directly on a sapphire substrate by Hydride Vapor Phase Epitaxy is presented. The two‐step deposition process includes the growth of GaN nucleation layers at intermediate temperatures in the range of 750 – 900 °C and subsequent high‐temperature overgrowth at about 1040 °C. Closed and non‐closed nucleation layers with a thickness of up to 2 μm were produced and characterized by scanning and transmission electron microscopy, micro‐Raman spectroscopy and X‐ray diffraction. A growth temperature of 780 °C is found to be optimal with respect to density and size distribution of nucleation islands. Raman measurements performed on the nucleation layers reveal nearly zero residual stress indicating effective stress relaxation on cooling down from growth temperature. The results of first overgrowth experiments demonstrate the possibility to grow 10 μm thick, crack‐free GaN layers of high crystalline quality on the nucleation layers. (© 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Na助熔剂法生长氮化镓晶体的研究进展

以高质量GaN单晶基片作为衬底实现GaN的同质外延生长,是获得GaN半导体器件优异性能的基础.高质量GaN单晶基片的缺乏已成为国际范围制约GaN器件发展的瓶颈.在GaN体单晶的几种生长方法中,由于Na助熔剂法的生长条件相对温和且成本相对较低,近年来发展较快.本文从Na助熔剂法的原理、生长工艺、助熔剂种类以及得到晶体尺寸和质量等几方面进行了综述,分析了目前Na助熔剂法生长GaN单晶中的技术问题并提出了进一步研究的一些建议.     

二氧化碳对同质外延生长单晶金刚石内应力的影响

本文研究了在反应气体中引入不同浓度的CO₂对微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法同质外延生长单晶金刚石内应力的影响,并对其作用机理进行了分析。研究发现,随着CO₂浓度增加,单晶金刚石内应力逐渐减小,这是由于添加的CO₂提供了含氧基团,可以有效刻蚀金刚石生长过程中的非金刚石碳,并能够降低金刚石中杂质的含量,从而避免晶格畸变,减少生长缺陷,并最终表现为单晶金刚石内应力的减小,其中金刚石内应力以压应力的形式呈现。此外反应气体中加入CO₂可以降低单晶金刚石的生长速率和沉积温度,且在合适的碳氢氧原子比(5∶112∶4)下能够得到杂质少、结晶度高的单晶金刚石。     

GaAs衬底温度对液滴外延法生长In液滴的影响

采用液滴外延法在GaAs(001)衬底上生长In液滴,利用原子力显微镜(AFM)对不同衬底温度下生长的样品进行表征,观察其表面形貌.研究表明In液滴的生长对衬底温度十分敏感,随着衬底温度的升高,液滴密度逐渐减小,液滴尺寸逐渐增大.分析了In液滴在不同衬底温度形成过程的物理机制,解释了该实验现象的原因.根据成核理论中最大...     

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。     

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...     

MOCVD法在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜的性能研究

本文采用MOCVD法分别在a面和c面蓝宝石衬底上生长出7层InGaN/GaN多量子阱结构的GaN薄膜,采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱仪、吸收光谱等手段对样品进行表征.分析表明:a面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜(样品A)的FWHM为781.2 arcsec,c面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜(样品B)的FWHM为979.2 arcsec.样品A和样品B中存在的压应力分别为0.8523 GPa和1.2714 GPa,薄膜的能带宽度(理论值为3.4 eV)分别为3.38 eV和3.37 eV.以上数据表明a面蓝宝石衬底上生长出来GaN薄膜的结晶质量较好,光学性能更优异.