3英寸半绝缘4H-SiC单晶的研制

报道了采用物理气相传输(PVT)法进行SiC单晶生长方面取得的最新进展,成功研制得到固态微波器件急需的3英寸(75 mm)半绝缘4H-SiC衬底。使用计算机模拟技术,进行了3英寸(75 mm)4H-SiC晶体生长的热场设计,并在此基础上研制出适合3英寸(75 mm)4H-SiC PVT生长的晶体生长设备,采用喇曼光谱对晶体生长表面5点进行测试,结果均为单一的4H晶型,采用非接触电阻率面分布(COREMA)方法测得晶片电阻率为109~1012Ω.cm。微管道缺陷(MPD)测量采用熔融KOH腐蚀法,测得平均微管道密度为104个/cm2,其中晶片的30%区域微管道缺陷小于10个/cm2。使用X射线双晶衍射测试得到其半高宽(FWHM)为31 arcsec,说明所获得的晶体具有良好的结晶完整性。     

核磁共振波谱法表征 DAST 分子结构

DAST 晶体（即 4-N, N-二甲胺基-4’-N’-甲基-氮杂芪的对甲苯磺酸盐晶体）具有优良的二阶非线性光学性能和电光效应特性,可用于红外至太赫兹波段辐射与检测领域．为了表征 DAST 源粉分子结构及纯度,选择 CD₃OD 和 DMSO-d₆ 两种溶剂分别对 DAST 源粉进行了¹H NMR、 ¹³C NMR、 ¹H-¹H COSY、 HSQC 和 HMBC 表征．通过对谱峰的归属及分析发现, DAST 在 CD₃OD 溶液中倾向于以离子对状态存在,而在 DMSO-d₆ 溶液中倾向于以解离状态存在,并根据谱峰的变化推测了 DAST 在从 CD₃OD 溶液环境向 DMSO-d₆ 溶液环境变化时解离过程中电子云在共轭结构上重新分布的规律和骨架的变化情况．     

PVT法碳化硅单晶生长系统的热场模拟

为了分析物理气相传输法碳化硅单晶生长系统中的温度分布,采用Matlab软件对PVT工艺中的热场进行了模拟。以能量方程为基础分析了由传导和辐射这两种传热方式所决定的系统的热量分配;采用有限元素法对所建立的描述连续函数的偏微分方程进行数值化离散;应用迦辽金加权残值法对由近似函数表征的离散方程转化为矩阵方程的形式;设计了平均算法计算出了系统的温度分布。更好地了解了碳化硅晶体生长过程的物理实质,以便更有效地改进生长系统,优化工艺参数。     

基于DAST晶体的高能量超宽带可调谐小型化差频THz辐射源研究

基于双温区法生长的高质量DAST(4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯酸盐)晶体,成功搭建了高能量、超宽带可调谐差频THz辐射源,系统尺寸40 cm×25 cm,调谐范围达到0. 3～19. 6 THz,最大输出能量达到4. 02μJ/pulse@18. 6 THz,信噪比最高达到32. 24 dB,结合振镜扫描技术,以0. 1 THz为步长,超宽带光谱扫描时间小于1min.实验中观测到差频产生THz波的输出饱和现象并研究了基于DAST晶体差频产生THz波的偏振特性与传输特性,证明基于DAST晶体差频产生的THz波消光比达到0. 05,且差频过程满足0类相位匹配条件.基于该太赫兹辐射源,对多种固体样品在2～14 THz范围内的超宽带THz光谱信息进行了有效获取.     

SiC单晶体放射状裂纹缺陷研究

在采用物理气相传输(PVT)法生长碳化硅(SiC)单晶的过程中,放射状裂纹是常见的缺陷。使用微分干涉显微镜对SiC单晶体和晶体抛光片表面形貌进行观测,结合晶体突变光滑面生长模型,对PVT法生长的SiC单晶放射状裂纹缺陷的形成机理进行了研究,并提出了消除或抑制放射状裂纹缺陷产生的方法。研究结果表明,放射状裂纹的出现与PVT生长过程中晶体微管密度紧密相关。在晶体生长初期,晶体生长平台平铺至尺寸较大的微管后形成微裂纹,这些微裂纹会随着晶体生长中的应力释放而沿晶体径向增殖、汇聚,最终与径向上的其他微裂纹连接成宏观放射状裂纹。通过提高SiC籽晶质量(低微管密度)、优化生长工艺参数可有效抑制放射状裂纹的产生。     

DAST 源粉表征与晶体制备

通过X 射线粉末衍射、核磁共振波谱法对制得的DAST 源粉进行表征，确证其分子结构并计算出源粉纯度为 99.7 %。然后使用该DAST 源粉配制其甲醇溶液，并利用溶液降温法通过自发成核过程培养出尺寸为(2~3) mm×(2~3) mm×(0.3~0.5) mm 的DAST 晶体。     

DAST晶体的生长与表征

根据实验获得的亚稳区范围为指导,采用籽晶-溶液降温法进行对4-N,N-二甲胺基-4’-N’-甲基-氮杂芪的对甲苯磺酸盐(DAST)晶体的生长,获得了2颗尺寸较大的DAST晶体。X线衍射(XRD)图谱分析发现有较强的(004)面和(006)面的特征峰,光致发光谱(PL)测试发现573.5nm处存在N(CH3)2基团产生的特征峰,601.6nm处存在二甲胺基和磺酸盐基分子间电荷转移过程产生的特征峰,647nm存在由烯双键产生的特征峰,通过晶体的XRD、PL光谱测试,证实了实验制备的晶体为DAST晶体。同时,还测试了晶体的维氏硬度,以及使用原子力显微镜(AFM)及微分干涉显微镜对晶体的表面形貌进行了观测。     

有机非线性光学晶体DAST籽晶表面研究

采用籽晶法可获得大尺寸、高质量的4-N,N-二甲胺基-4’-N’-甲基-氮杂芪的对甲苯磺酸盐(DAST)晶体,而DAST籽晶的表面质量直接影响晶体质量。采用自制DAST源粉,通过溶液降温法自发成核生长DAST籽晶,并对其表面进行了研究。采用红外光谱对DAST源粉进行测试发现,DAST晶体有一定的吸水性。微分干涉显微镜及原子力显微镜(AFM)检测DAST籽晶表面形貌,结果表明,DAST籽晶表面存在凹坑、生长台阶等缺陷。     

DAST源粉表征与晶体制备

通过X射线粉末衍射、核磁共振波谱法对制得的DAST源粉进行表征,确证其分子结构并计算出源粉纯度为99.7%。然后使用该DAST源粉配制其甲醇溶液,并利用溶液降温法通过自发成核过程培养出尺寸为(2~3)mm×(2~3)mm×(0.3~0.5)mm的DAST晶体。     

SiC单晶生长界面形状计算机模型的建立及验证

利用多物理场耦合模拟软件研究了3英寸(1英寸=2.54 cm)碳化硅(SiC)单晶生长中感应线圈位置对单晶生长系统温度场的影响.分析了感应线圈位置变化对晶体表面径向温度、晶体内部轴向温度以及晶体生长界面形状的影响.同时分析了不同生长时期晶体的界面形状和各向温差的变化规律,建立了3英寸SiC单晶生长界面形状计算机模型,进而将计算机模拟得到的晶体界面形状与单晶生长对照实验获得晶体的界面形状相对比,验证了该模型的可靠性.以此为依据,优化了单晶生长工艺参数,获得了理想的适合3英寸SiC单晶生长的温度场,并成功获得了高质量的3英寸SiC单晶.