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
锑化铟(InSb)焦平面探测器是中波红外探测领域应用广泛的一种探测器。作为制备探测器的基础，InSb晶体材料的质量和性能显得尤为重要。近年来InSb晶体材料在向高质量大尺寸方向发展。通过多举措坩埚设计和温场条件设计，采用直拉法生长了直径大于135 mm的InSb单晶。测试结果表明，5 in晶片的位错腐蚀坑密度小于50 cm-2，双晶衍射峰的半峰宽为832 arcsec，晶体具有相当好的完整性。通过优化生长工艺参数，晶体生长过程中具有较为平坦的固液界面，表现出良好的径向电学均匀性。这为制备低成本和超大规模InSb红外探测器阵列奠定了基础。
锑化铟 单晶 位错密度 电学均匀性 InSb single crystal dislocation density electrical uniformity0
1 北京中材人工晶体研究院有限公司，北京100018
2 中材人工晶体研究院有限公司，北京100018
3 内蒙古晶环电子材料有限公司，呼和浩特010000
为保障我国相关**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。
低吸收 泡生法 杂质元素 光吸收系数 透过率 位错密度 low absorption Kyropoulos method impurity element light absorption coefficient transmittance dislocation density
1 中国科学技术大学纳米科学技术学院, 苏州 215123
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 苏州 215123
3 苏州纳维科技有限公司, 苏州 215000
4 沈阳材料科学国家研究中心, 沈阳 110010
远程外延是一种用于生产单晶、独立式薄膜和结构的新兴技术, 该方法使用二维范德瓦耳斯材料作为半透明夹层, 实现外延生长及外延层在二维层界面的剥离。本文研究了在蓝宝石衬底上利用单层石墨烯作中间层异质远程外延GaN成核层、GaN薄膜。结果表明, GaN成核岛具有良好的取向, 通过参数调整, 可实现致密的GaN成核层。AFM和XRD测试结果证实, 与同样条件下蓝宝石衬底上直接生长的GaN薄膜相比, 石墨烯上异质远程外延得到的GaN薄膜具有更低的表面粗糙度和位错密度。
石墨烯 异质远程外延 表面粗糙度 位错密度 GaN GaN graphene MOCVD MOCVD remote heteroepitaxy surface roughness dislocation density
1 有研国晶辉新材料有限公司，廊坊 065001
2 西北工业大学伦敦玛丽女王大学工程学院，西安 710000
GaAs单晶是当前光电子器件的主要衬底材料之一，在红外LED中有着重要应用。但杂质浓度高、迁移率低等缺点会严重影响红外LED器件性能。为生产出低杂质浓度、高迁移率、载流子分布均匀、高利用率的红外LED用掺硅垂直梯度凝固(VGF)法GaAs单晶，本文研究了热场分布、合成舟和炉膛材质、工艺参数对单晶的成晶质量、杂质浓度、迁移率、载流子分布的影响。利用CGSim软件对单晶生长热场系统进行数值模拟研究，温区一至温区六长度比例为8∶12∶9∶5∶5∶7时，恒温区达到最长，位错密度达到1 000 cm-2以下，成晶率达到85%。采用打毛石英合成舟进行GaAs合成，用莫来石炉膛替代石英炉膛，可以获得迁移率整体高于3 000 cm2/(V·s)的GaAs单晶，满足红外LED使用要求。对单晶生长工艺参数展开研究，采用提高头部生长速度、降低尾部生长速度的方式提高单晶轴向载流子浓度均匀性，头尾部载流子浓度差降低33%，尾部迁移率从2 900 cm2/(V·s)提高到3 560 cm2/(V·s)。单晶有效利用长度提高33%，单晶利用率达到75%，大幅降低了原料损耗成本。
砷化镓 垂直梯度凝固 位错密度 载流子 迁移率 热场 炉膛 gallium arsenide vertical gradient freeze dislocation density carrier migration rate hot field furnace
1 陕西科技大学材料原子·分子科学研究所，西安 710021
2 西安电子科技大学，宽禁带半导体材料教育部重点实验室，西安 710071
3 陕西科技大学材料科学与工程学院，西安 710021
4 西北大学信息科学与技术学院，西安 710127
本文利用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术在(001)面图形化蓝宝石衬底(PSS)上生长了一种含有AlGaN-InGaN/GaN MQWs (multiple quantum wells)-AlGaN双势垒结构的高In组分太阳能电池外延材料。高分辨率X射线衍射(HRXRD)和光致发光(PL)谱分析表明，与含有AlGaN电子阻挡层的低In组分的量子阱结构太阳能电池外延材料相比，该结构材料具有较小的半峰全宽(FWHM)，计算表明:此结构材料的位错密度降低了一个数量级，达到107 cm-2；同时，有源区中的应变弛豫降低了51%；此外，此结构材料的发光强度增强了35%。研究结果表明含有AlGaN双势垒结构的外延材料可以减小有源区的位错密度，降低非辐射复合中心的数目，增大有源区有效光生载流子的数目，为制备高质量太阳能电池提供实验依据。
金属有机化合物化学气相沉积 太阳能电池外延材料 AlGaN双势垒结构 位错密度 光生载流子 metal organic chemical vapor deposition solar cell epitaxial material AlGaN double barrier structure InGaN/GaN MQWs InGaN/GaN MQWs dislocation density photo-induced carrier
硅与碲镉汞之间的外延碲化镉缓冲层能够减小外延过程中产生的高达107 cm-2的位错密度, 高温热退火是抑制材料位错的有效方法之一。传统的离位退火技术会导致工艺不稳定和杂质污染等, 而原位退火则可有效解决这些问题。利用原位退火技术对分子束外延生长的硅基碲化镉材料进行了位错抑制研究。对厚度约为9 m的碲化镉材料进行了6个周期不同温度的热循环退火, 并阐释了不同退火温度对硅基碲化镉材料位错的抑制效果。采用统计位错腐蚀坑密度的方法对比了退火前后材料的位错变化。可以发现, 在退火温度为520℃时, 位错密度可以达到1.2×106 cm-2, 比未进行退火的CdTe材料的位错密度降低了半个数量级。
原位退火 碲化镉 位错密度 in-situ annealing cadmium telluride dislocation density
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4HSiC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4HSiC衬底质量优良，同比行业标准达到行业先进水平。
8英寸SiC单晶衬底 物理气相传输法 X射线摇摆曲线 微管密度 翘曲度和弯曲度 位错密度 8inch SiC single crystal substrate physical vapor transport mehtod Xray rocking curve micropipe density warp and bow dislocation density
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
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
