1 1.山东大学 晶体材料国家重点实验室, 新一代半导体材料研究院，济南 250100
2 2.广州南砂晶圆半导体技术有限公司, 广州 511458
碳化硅具有优异的物理化学性能, 在电动汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5G通信等领域具有广泛应用前景。8英寸(1英寸=2.54 cm)SiC衬底在降低器件单位成本、增加产能供应方面具有巨大的潜力, 成为行业重要的技术发展方向。近期山东大学与广州南砂晶圆半导体技术有限公司在8英寸SiC衬底位错缺陷控制方面取得了重大突破, 使用物理气相传输法(Physical vapor transport, PVT)制备了低位错密度8英寸导电型4H-SiC单晶衬底, 其中螺位错(Threading screw dislocation, TSD)密度为0.55 cm-2, 基平面位错(Basal plane dislocation, BPD)密度为202 cm-2。
4H-SiC 8英寸 低位错密度 单晶衬底 4H-SiC 8-inch low dislocation density single crystal substrate
1 山东大学 微电子学院，新一代半导体材料研究院，山东 济南 250100
2 广 东省科学院 半导体研究所，广东 广州 510650
3 山东浪潮华光光电子股份有限公司，山东 潍坊 261061
利用磁控溅射和金属有机化学气相沉积方法在c面蓝宝石衬底上生长了深紫外Al0.38Ga0.62N/Al0.55Ga0.45N多量子阱结构，并对其荧光（PL）谱进行了测量。其PL谱的激发密度依赖性测量结果表明，该量子阱的辐射过程包含了局域载流子的散射、极化场的屏蔽和局域态的填充效应；其PL谱的温度依赖性测量结果则表明，该量子阱的辐射过程包含了局域载流子的弛豫、局域载流子的热激发和自由载流子的常规热化效应。这个现象（即多种辐射复合过程的存在）在低温和弱激发测试条件下尤为显著，并且表现出该量子阱结构具有显著的局域深度非均一性和载流子的局域效果，是浅局域载流子的散射效应和深局域态的载流子填充效应共同作用所致。在较低的温度范围内，随着温度升高，该量子阱的辐射过程是由浅局域载流子的弛豫效应和深局域载流子的热激发效应共同作用的结果。这些行为被归因于阱宽起伏所诱发的局域深度的非均一性和载流子的局域效果。
深紫外LED AlGaN多量子阱 光致发光 载流子局域效应 deep-ultraviolet LED AlGaN multiple quantum well photoluminescence carrier localization effect
1 1.山东大学 新一代半导体材料研究院, 晶体材料国家重点实验室, 济南 250100
2 2.齐鲁工业大学(山东省科学院) 材料科学与工程学院, 济南 250353
相比于第一代和第二代半导体材料, 第三代半导体材料具有更高的击穿场强、电子饱和速率、热导率以及更宽的带隙, 更适用于制备高频、大功率、抗辐射、耐腐蚀的电子器件、光电子器件和发光器件。氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表之一, 是制作蓝绿激光、射频微波器件和电力电子器件的理想衬底材料, 在激光显示、5G通信、相控阵雷达、航空航天等领域具有广阔的应用前景。氢化物气相外延(Hydride vapor phase epitaxy, HVPE)方法因生长设备简单、生长条件温和和生长速度快而成为制备GaN晶体的主流方法。由于普遍使用石英反应器, HVPE法生长获得的非故意掺杂GaN不可避免地存在施主型杂质Si和O, 使其表现出n型半导体特性, 但载流子浓度高和导电率低限制了其在高频大功率器件中的应用。掺杂是改善半导体材料电学性能最普遍的方法, 通过掺杂不同掺杂剂可以获得不同类型的GaN单晶衬底, 提高其电化学特性, 从而满足市场应用的不同需求。本文介绍了GaN半导体晶体材料的基本结构和性质, 综述了近年来采用HVPE法生长高质量GaN晶体的主要研究进展; 对GaN的掺杂特性、掺杂剂类型、生长工艺以及掺杂原子对电学性能的影响进行了详细介绍。最后简述了HVPE法生长掺杂GaN单晶面临的挑战和机遇, 并展望了GaN单晶的未来发展前景。
氮化镓 氢化物气相外延 掺杂 晶体生长 综述 gallium nitride hydride vapor phase epitaxy doping crystal growth review
山东大学，新一代半导体材料研究院，晶体材料国家重点实验室，济南 250100
氮化铝(AlN)是直接带隙半导体，具有超宽禁带宽度(6.2 eV)、高热导率［3.2 W/(cm·K)］、高表面声波速率(VL= 10.13×105 cm/s，VT=6.3×105 cm/s)、高击穿场强和稳定的物理化学性能，是紫外/深紫外发光材料的理想衬底，由此制作的AlxGa1-xN材料，还可以实现200~365 nm波段内的连续发光；可以制作耐高压、耐高温、抗辐射和高频的电子器件，是具有巨大潜力的新一代半导体材料。本文介绍了物理气相传输法异质外延生长AlN单晶的原理，并从碳化硅(SiC)衬底上AlN单晶生长研究历程、AlN/SiC衬底生长AlN晶体以及偏晶向SiC衬底生长AlN晶体3个方面综述了SiC衬底上异质外延生长AlN晶体的研究进展。最后简述了SiC衬底上生长AlN单晶面临的挑战和机遇，展望了AlN材料的未来发展前景。
氮化铝单晶 碳化硅衬底 物理气相传输法 异质外延 aluminum nitride single crystal silicon carbide substrate physical phase transport heteroepitaxy
1 山东大学新一代半导体材料研究院, 济南 250100
2 山东大学晶体材料国家重点实验室, 济南 250100
3 专用集成电路国家级重点实验室, 石家庄 050051
4 中国电子科技集团公司第十三研究所, 石家庄 050051
随着金刚石作为散热材料在大功率半导体器件、激光器、微波器件和大规模集成电路等领域中的应用愈加广泛, 通过对金刚石局部进行精确测温以评价其散热性能是一个重要的研究课题。本文使用拉曼光谱仪对不同掺杂类型的高温高压(HTHP)样品和化学气相沉积(CVD)样品在228~678 K进行检测, 得到了金刚石样品TO模拉曼峰位、半峰全宽等与温度的一一对应关系, 并通过理论计算模型明确了热膨胀、三声子、四声子随温度变化对拉曼峰位、半峰全宽的贡献。理论和实验测试结果发现: 不同掺杂以及不同类型样品的拉曼光谱峰位无明显区别; 随温度升高, 半峰全宽宽化, 主要影响因素为声子衰减导致的非简谐效应, 同时受载流子的电离率、浓度、类型, 以及缺陷和杂质影响; 声子寿命主要受到声子的非简谐衰减作用影响, 基本不受杂质散射的影响。本研究为金刚石材料的温度检测提供了一种无损、非接触、高空间分辨率的方法。
单晶金刚石 拉曼光谱 掺杂 温度相关性 声子衰减 声子寿命 single crystal diamond Raman spectrum doping temperature dependency phonon decay phonon lifetime
1 山东大学晶体材料国家重点实验室，新一代半导体材料研究院，济南 250100
2 齐鲁工业大学(山东省科学院)，材料科学与工程学院，济南 250353
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。
氮化镓单晶 钠助熔剂法 原料比 温度梯度 添加剂 籽晶 gallium nitride single crystal sodium flux method raw material ratio temperature gradient additive seed crystal
山东大学 深圳研究院，新一代半导体材料研究院, 晶体材料国家重点实验室, 济南 250100
在PVT法生长AlN晶体的过程中, 很难保持理想的热力学平衡状态, 不可避免地会产生晶体缺陷。高温退火技术对提高晶体完整性十分有效，受到了广泛关注。本工作在N2气氛环境下对PVT法生长的AlN晶片进行高温退火研究。为了评价退火前后AlN晶体的质量和结构变化情况, 进行了高分辨率X射线衍射(HRXRD)和拉曼光谱分析。通过室温光致发光(PL)和吸收光谱对AlN晶体的光学性质以及与杂质相关的带隙变化情况进行了表征。在1400~1800 ℃退火后, AlN晶体质量显著提高。1400 ℃退火后, (10-12)晶面的X射线摇摆曲线的半峰宽(FWHM)从104.04 arcsec减小到79.92 arcsec。随着退火温度升高, 吸收性能明显增强, 带隙增大, 说明高温退火处理有利于提高AlN晶体的质量。二次离子质谱(SIMS)结果表明, 退火过程降低了C杂质, 增加了AlN晶体的带隙, 这与光吸收结果一致。
高温退火技术 AlN晶体 C杂质 带隙 high temperature annealing technology AlN crystal C impurities bandgap
山东大学新一代半导体材料研究院, 济南 250100
SiC作为代表性的第三代半导体材料, 具有优异的物理化学性能。随着材料及应用的发展, SiC衬底在航天电源、电动汽车、智能电网、轨道交通、工业电机等领域的应用日益重要。相比第一代半导体材料如Si和第二代半导体材料如GaAs而言, SiC衬底质量还有很大的改善空间, 是现阶段研发和产业的热点。其中SiC单晶缺陷, 特别是一维位错缺陷的检测和降低, 是近10年内重要的研究内容。本文重点对SiC中位错的形成原因、位错检测技术、位错密度降低方法及近年来SiC单晶中位错的优化水平进行总结归纳, 并提出了SiC需要继续突破和发展的方向。
位错 位错形成原因 位错检测技术 位错密度降低方法 位错密度优化水平 SiC SiC dislocation cause of dislocation formation dislocation detection technology method of reducing dislocation density dislocation optimization level
山东大学新一代半导体材料研究院，晶体材料国家重点实验室，济南 250100
晶体生长初期成核阶段的籽晶表面变化对后续晶体生长质量具有重要影响。采用光学显微镜对SiC生长初期的表面和微管形貌进行观察。在8×104 Pa、1 800~2 100 ℃生长条件下，籽晶表面出现了原子迁移产生的台阶。同时发现微管会严重干扰正常台阶流的运动，并且微管处会形成一个圆形凹坑。在2×104 Pa、2 150~2 300 ℃生长条件下，发现籽晶表面中心已经形成了多个SiC晶核，籽晶边缘附近的部分微管已经产生明显应力区，且应力主要在紧贴微管并朝向边缘的区域，证明了台阶流是由中心向边缘移动的。此外，对加工后的衬底表面进行AFM观察，发现其表面同样存在取向不同的台阶，这可能与晶体生长初期的台阶形貌有关。
微管 碳化硅 单晶 台阶流 晶体生长 micropipe silicon carbide single crystals stage flow crystal growth
1 山东大学新一代半导体材料研究院, 济南 250100
2 山东大学晶体材料国家重点实验室, 济南 250100
3 济南金刚石科技有限公司, 济南 250100
4 专用集成电路国家级重点实验室, 石家庄 050051
5 中国电子科技集团公司第十三研究所, 石家庄 050051
本文通过高分辨X射线衍射(HRXRD)、激光拉曼光谱(Raman)、晶格畸变检测等测试分析方法对多组高温高压(HTHP) Ⅰb、HTHP Ⅱa和化学气相沉积(CVD)型(100)面金刚石单晶样品进行对比研究。HRXRD和Raman的检测结果均表明HTHP Ⅱa型金刚石单晶的结晶质量接近天然金刚石, 其XRD摇摆曲线半峰全宽和Raman半峰全宽分别为0.015°~0.018° 和1.45~1.85 cm-1。晶格畸变检测仪的检测结果表明, HTHP Ⅱa型金刚石单晶的应力分布主要有两种: 一种几乎无明显应力分布, 另一种沿<110>方向呈对称的放射状分布, 其他区域无晶格畸变。HTHP Ⅰb和CVD型金刚石单晶应力分布均相对分散, 晶格畸变复杂, 与其HRXRD和Raman的检测结果相符。进一步利用等离子体刻蚀法对三种类型金刚石单晶(100)面位错缺陷进行对比分析, 结果表明, HTHP Ⅱa型金刚石位错密度为三者中最低, 仅为1×103 cm-2。本研究为制备高质量大尺寸CVD金刚石单晶的衬底选择提供了实验依据。
HTHP Ⅱa金刚石 HTHP Ⅰb金刚石 CVD金刚石 结晶质量 应力 等离子体刻蚀 位错密度 HTHP Ⅱa diamond HTHP Ⅰb diamond CVD diamond crystal quality stress plasma etching dislocation density 人工晶体学报
2022, 51(9-10): 1777
