相较于传统的硅材料, 宽禁带半导体材料更适合制作高压、高频、高功率的半导体器件, 被认为是后摩尔时代材料创新的关键角色。单晶金刚石拥有大禁带宽度、高热导率、高迁移率等优异特性, 更是下一代大功率、高频电子器件的理想半导体材料。然而由于可获得单晶金刚石的尺寸较小, 且价格昂贵, 极大地阻碍了金刚石的发展。历经长时间的探索, 异质外延生长技术成为了获得高质量、大面积单晶金刚石的有效手段。本综述从金刚石异质外延的衬底选择、生长机理以及质量改善等方面对近些年来异质外延单晶金刚石的发展进行详细介绍。进一步地, 对基于异质外延单晶金刚石的场效应晶体管和二极管的研究进行了总结, 说明了异质外延单晶金刚石在电子器件领域的巨大潜力。最后总结了异质外延单晶金刚石仍需面对的挑战, 展望了其在未来的应用与发展前景。

随着氮化镓(GaN)在高功率领域的广泛应用, GaN基器件的散热性能成为了制约其功率密度的主要因素, 因此开辟新的热管理方案至关重要。具有高热导率的金刚石衬底可以用于改善GaN器件的散热问题。然而, 由于金刚石和GaN之间的天然晶格失配, 在金刚石衬底上GaN的直接外延仍然是一个难以克服的问题。本工作以二维材料/Al组分渐变的AlGaN异质结作为衬底与外延层之间的成核层, 在多晶金刚石衬底上实现了单晶GaN薄膜的范德瓦耳斯外延。其中, 二维材料可以有效屏蔽掉衬底与外延层晶格不匹配带来的不良影响, 而Al组分渐变的AlGaN缓冲层结构可实现Ga原子和N原子的有序迁移, 进而精确地控制GaN薄膜的生长。本工作为异质衬底上高质量生长氮化物提供新思路。实验结果表明, 成核层的引入有效地消除晶格失配的影响, 从而打破了金刚石衬底上难以直接外延单晶GaN薄膜的瓶颈。本工作为GaN基器件的功率密度的进一步提升提供了基础。

本文利用等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)系统, 对常规连续外延生长和金属调制外延(MME)生长AlN薄膜进行研究。研究发现: 常规连续外延方法生长模式不易控制, 容易出现过度富Al和富N模式生长, 而且微富Al模式生长还会出现一些凹坑, 表面形貌较粗糙; 然而利用MME方法生长AlN薄膜, 通过精准调控Al源和N源快门打开、关闭时间, 可以获得形貌较好的AlN薄膜。通过调整优化获得的MME方案为: 首先Al源快门打开30 s, 然后Al源和N源快门打开60 s, 最后单独打开N源快门72 s; 单一周期内, Al源快门打开时间与N源快门打开时间比例为0.7。以上述方案为一个周期进行循环生长40个周期, 可获得粗糙度低至0.3 nm(2 μm×2 μm), 几乎无凹坑的AlN薄膜。

二维超宽禁带半导体材料六方氮化硼(h-BN)具有绝缘性好、击穿场强高、热导率高, 以及良好的稳定性等特点, 且其原子级平整表面极少有悬挂键和电荷陷阱的存在, 使其有潜力成为二维电子器件的衬底和栅介质材料。实现h-BN应用的关键在于生长高质量的h-BN单晶薄膜, 本文详细介绍了在过渡金属衬底、绝缘介质衬底和半导体材料表面外延生长h-BN的方法及其研究进展。在具有催化活性的过渡金属衬底(铜、镍、铁、铂等)上可以外延得到高质量的二维h-BN, 而在绝缘介质或半导体材料衬底上直接生长h-BN单晶薄膜更具挑战性。蓝宝石以其良好的热稳定性和化学稳定性成为外延h-BN的首选衬底, 蓝宝石衬底上生长h-BN薄膜的方法主要有化学气相沉积、分子束外延、离子束溅射沉积、金属有机气相外延, 以及高温后退火等, 通过这些方法可以在蓝宝石衬底上外延得到h-BN单晶薄膜, 还可以集成到现有的一些III-V族化合物半导体的外延生长工艺之中, 为h-BN的大面积应用奠定基础。此外, 石墨烯、硅和锗等半导体材料衬底上生长h-BN单晶薄膜也是当前研究的一个热点, 这为基于h-BN的异质结制备及其应用提供了新的方向。

本文通过添加InGaN垫层, 利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法在GaN(0001)上外延生长了InN薄膜, 研究了InN薄膜的外延规律及光学性质。研究发现, 相对于GaN表面, 在InGaN垫层上可以获得更高质量的InN。通过在InGaN垫层中采用适当的In组分(在本工作中为In0.23Ga0.77N), 可以完全抑制InN生长过程中铟滴的形成, 获得的InN表面形貌连续平整。采用光学显微镜、高分辨率X射线衍射(HR-XRD)、透射电子显微镜(TEM)、光吸收和室温光致发光等方法研究了InN的晶体结构和光学性质。HR-XRD的ω和ω-2θ扫描显示, InGaN垫层消除了In滴的衍射信号, 并且ω扫描给出了150 nm的InN薄膜的(0002)半峰全宽为0.23°。TEM选区电子衍射发现, InN几乎是无应变的。室温下InN薄膜的光吸收和强光致发光结果表明, 所制备的InN薄膜能带隙约为0.74 eV。本文还初步研究了InN的异常激发依赖性的光致发光行为, 证明了InN材料的表面效应对辐射复合的强烈作用。

本文研究了18 mm厚316L不锈钢激光切割重铸层宏微观成形特征，基于扫描电镜和电子背散射衍射仪，分析了重铸层表面和截面晶粒的形态和尺寸。结果表明：重铸层表面的Fe元素少量蒸发，从上部到下部重铸层表面由紊流向层流转变，厚度逐渐增大，组织呈现为分层的针状晶形态；对于晶体取向，切缝顶部晶粒的外延生长比例低于底部，前者生长方向的随机分布由熔体紊流引起，后者的外延生长由熔体层流引起；母材中的γ相为等轴晶形态，δ相呈带状分布；重铸层中γ相的晶粒形态不规则，粗化至母材的2倍左右，而δ相则弥散分布，细化至母材中δ相尺寸的1/6~1/2；组织转变的原因是激光切割过程中极大的温度梯度大幅缩短了δ相形成温度的持续时间，同时，熔体扰动促使δ相弥散分布。

碳化硅(SiC)是制作高温、高频、大功率电子器件的理想电子材料，近20年来随着外延设备和工艺技术水平不断提升，外延膜生长速率和品质逐步提高，碳化硅在新能源汽车、光伏产业、高压输配线和智能电站等领域的应用需求越来越大。与硅半导体产业不同，碳化硅器件必须在外延膜上进行加工，因此碳化硅外延设备在整个产业链中占据承上启下的重要位置，而且也是整个产业链中最复杂、最难开发的设备。本文从碳化硅外延生长机理出发，结合反应室设计和材料科学的发展，介绍了化学气相沉积(CVD)法碳化硅外延设备反应室、加热系统和旋转系统等的技术进展，最后分析了CVD法碳化硅外延设备未来的研究重点和发展方向。