利用高纯度的硼粉和硫粉，在1 300 ℃的高温真空环境下，通过扩散装置制备出硼(B)、硫(S)共掺杂单晶金刚石。扫描电子显微镜、X射线能谱、拉曼光谱等测试结果表明，随着两种元素的掺入，金刚石的形貌和晶体质量发生变化。掺杂后的金刚石形貌复杂，蚀坑和沟壑内部形貌呈阶梯状，随着掺杂量的增加出现断层，并在蚀坑处检测出较高的硼原子和硫原子含量，掺杂B-S质量比为0.5的金刚石蚀坑处的硼原子和硫原子含量最高。随着杂质原子的渗入，拉曼半峰全宽值增大，金刚石的晶体质量下降。室温下进行霍尔检测结果表明，掺杂后的金刚石电阻率降低。B-S质量比为1和2的样品导电类型表现为p型；B-S质量比为0.5时，样品的霍尔系数为负值，导电类型为n型。
金刚石 共掺杂 B-S质量比 表面形貌 晶体质量 霍尔测试 diamond co-doping B-S mass fraction surface morphology crystal quality Hall testing
对热处理前后的InSb晶片进行了显微拉曼面扫描测试, 开发了一种新的InSb晶片应力面分布表征方式。热处理前后InSb晶片的横向光学(Transverse Optical,TO)声子散射峰分别位于179.3 cm-1和178.5 cm-1;纵向光学(Longitudinal Optical, LO)声子散射峰分别位于188.8 cm-1和188.7 cm-1;特征峰的半峰宽分别为5.8 cm-1和5.0 cm-1。X射线双晶衍射曲线半峰宽值分别为12.10~20.04 arcsec和7.61~7.74 arcsec。用经热处理后的晶片制得的器件在80℃烘烤20天后, 盲元增加量较小, 整体数量较少。这表明热处理释放了晶片的残余应力, 对后期抑制器件新增盲元存在有利影响, 为新一代超高性能、超大面阵红外探测器的制备奠定了材料基础。
锑化铟 显微拉曼 热处理 应力 晶体质量 InSb micro-Raman heat treatment stress crystal quality
1 厦门大学物理学系，半导体光电材料及其高效转换器件协同创新中心，福建省半导体材料及应用重点实验室，微纳光电子材料与器件教育部工程研究中心，厦门 361005
2 厦门市未来显示技术研究院，嘉庚创新实验室，厦门 361005
本文采用分子束外延技术在具有6°斜切角的c面蓝宝石衬底上外延β-Ga2O3薄膜，系统研究了生长气压对薄膜特性的影响。X射线衍射谱和表面形貌分析表明，不同生长气压下所外延的薄膜表面平整，均具有(201)择优取向。并且，其结晶质量和生长速率均随生长气压增大而逐渐提高。通过X射线光电子能谱分析发现，生长气压增大使得氧空位的浓度大幅下降，高价态Ga比例增大，最终使得O/Ga原子数之比接近理想Ga2O3材料的化学计量比值。利用Tauc公式和乌尔巴赫带尾模型进行计算，结果表明随着生长气压的增大，样品的光学带隙由4.94 eV增加到5.00 eV，乌尔巴赫能量由0.47 eV下降到0.32 eV，证明了生长气压的增大有利于降低薄膜中的缺陷密度，提高薄膜晶体质量。
β-Ga2O3薄膜 分子束外延 生长气压 缺陷密度 晶体质量 光学特性 β-Ga2O3 thin film molecular beam epitaxy growth pressure defect density crystal quality optical property
利用金属有机化学气相沉积方法在蓝宝石衬底上生长了一系列具有双中温AlN插入层(MTGAlN)的半极性AlN薄膜样品。中温生长的AlN插入层具有较大的表面粗糙度，形成了类似纳米级图形化衬底结构，能够有效阻断高温生长的半极性AlN样品中堆垛层错的传播，从而提高半极性AlN样品的表面形貌和晶体质量。通过原子力显微镜和X射线衍射仪的表征，研究了MTGAlN插入层厚度在20~100nm之间的变化对半极性AlN样品的表面形貌和晶体质量的影响。结果表明，所有半极性AlN样品都具有[1122]取向。当插入的MTGAlN中间层厚度约为80nm时，半极性AlN样品表面粗糙度显著降低，晶体质量明显改善。
双中温AlN插入层 半极性AlN 表面形貌 晶体质量 dual moderatetemperaturegrown AlN interlayer semipolar AlN epilayer surface morphology crystalline quality
1 清华大学航天航空学院，北京 100084
2 江苏协鑫硅材料科技发展有限公司，徐州 221001
3 清华大学工程物理系，北京 100084
铸锭晶体硅是太阳能级晶硅材料的重要来源之一，为了进一步降低硅片成本，需要在保证晶体质量的同时发展大尺寸铸锭晶硅。影响铸造晶体硅质量的热场控制核心参数包括晶体生长速度与生长界面温度梯度之比V/G、壁面热流q、生长界面高度差Δh和硅熔体内部温差ΔT等。针对铸锭晶体硅生长过程中的质量控制问题，本研究基于人工神经网络(ANN)模型对晶体生长过程建立了工艺控制优化方法，利用实验测量数据和数值仿真模拟结果构建铸锭晶体硅生长过程的工艺控制数据集，以底部隔热笼开口和侧、顶加热器功率比作为主要工艺控制参数，V/G、|q|、|Δh|和ΔT为优化目标，建立用于研究晶体生长工艺控制参数和热场参数之间映射关系的神经网络模型。使用训练完成的模型分析底部隔热笼开口及侧、顶加热器功率比对晶体生长过程热场的影响规律，并采用遗传算法(GA)对铸锭晶体硅生长过程的工艺控制参数以提高晶体质量为目标进行优化，最后结合实际生产中的检测图像讨论了V/G对晶体质量的影响。研究表明晶体生长中期的V/G沿横向变化较平缓，对应缺陷较少且分布均匀，因此增大V/G在横向上的均匀度也是提高晶体质量的一个重要因素。
铸锭晶体硅 人工神经网络 遗传算法 定向凝固 晶体质量 ingot crystalline silicon artificial neural network genetic algorithm V/G V/G directional solidification crystal quality
1 河北省激光研究所, 石家庄 050081
2 河北普莱斯曼金刚石科技有限公司, 石家庄 050081
3 南京电子器件研究所, 微波毫米波单片和模块电路重点实验室, 南京 210016
4 南京大学电子科学与工程学院, 南京 210093
采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术, 通过改变气源中的氮含量, 得到不同结晶质量的单晶金刚石, 通过激光切割以及抛光控制样品尺寸为5 mm×5 mm×0.5 mm, 然后对样品进行表面氢化处理并研制了金刚石射频器件, 系统研究了氮含量对金刚石材料晶体质量和金刚石射频器件性能的影响。随着氮含量的增加, 虽然单晶金刚石生长速率有所增加, 但是其拉曼半峰全宽(FWHM)、XRD摇摆曲线半峰全宽也逐渐增加, 光致发光光谱中对应的NV缺陷逐渐增多, 晶体结晶质量逐渐变差, 不仅导致沟道载流子的迁移率出现退化, 而且也使金刚石射频器件出现了严重的电流崩塌和性能退化问题。通过降低氮浓度, 提升材料的结晶质量, 沟道载流子迁移率得到显著提升, 金刚石射频器件的电流崩塌得到有效抑制, 电流增益截止频率fT和功率增益截止频率fmax分别从17 GHz和22 GHz大幅度提升至32 GHz和53 GHz。
氮含量 微波等离子体化学气相沉积 晶体质量 氢终端金刚石 沟道载流子迁移率 电流崩塌 金刚石射频器件 频率特性 nitrogen content MPCVD crystalline quality hydrogen-terminal diamond channel carrier mobility current collapse diandimond RF transistor frequency performance
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所晶体材料 研究室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省先进激光技术实验室, 安徽 合肥 230037
采用熔体提拉法, 通过设计合理的晶体生长温场结构和优化生长气氛等, 有效抑制了镓挥发, 结合原料预处理及缩颈等工艺, 成功生长出了高质量的 直径 3 英寸 Gd3Ga5O12(GGG) 晶体。对其晶体结构、结晶质量、位错形貌及透过光谱等进行了详细研究。X 射线粉末衍射 (XRD) 表明该晶体为单相且晶格常数为 1.2379 nm; (111) 结晶面的 X 射线摇摆曲线 (XRC) 显示晶体具有较好的结晶质量; 原子力显微镜 (AFM) 测量晶体 (111) 抛光片的表面粗糙度约为 0.203 nm; 观察分析了晶体 (111) 结晶面的位错腐蚀坑, 位错密度为 28～85 个/cm2; 透过光谱显示晶体具有较宽的透光波段, 并拟合出了塞米尔方程系数。结果表明生长的三英寸 GGG 晶体可以作为磁光外延膜的衬底材料和激光基质, 并且较大的尺寸能够有效提高晶体使用的取材效率和一致性。
材料 3 英寸 GGG 晶体 磁光衬底 晶体质量 表面形貌 位错 透过谱 material 3 inches GGG crystal magneto-optical substrate crystalline quality surface topography dislocation transmission spectrum
1 电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 四川 成都 610054
2 成都优蕊光电科技有限公司, 四川 成都 611731
通过高能离子注入剥离制备的铌酸锂(LNO)单晶薄膜具备优良的电光、声光等性能, 在射频器件、光波导等领域需求迫切。高能离子注入使LNO单晶薄膜表面存在损伤层, 导致薄膜质量和器件性能的衰减。该文提出了Ar+刻蚀去除LNO单晶薄膜损伤层的方法, 基于高能离子注入仿真, 采用扫描电子显微镜、原子力显微镜分析了刻蚀参数对刻蚀速率、表面形貌的影响, 并确定了LNO薄膜损伤层的刻蚀工艺参数。X线衍射分析表明, 通过Ar+刻蚀将LNO薄膜摇摆曲线半高宽减至接近注入前LNO单晶材料, 压电力显微镜测试表明去除损伤层后的LNO单晶薄膜具备更一致的压电响应。
铌酸锂(LNO)单晶薄膜 表面损伤层 Ar+刻蚀 晶体质量 压电性能 LNO single crystal film surface damage layer Ar+ etching crystal quality piezoelectric performance
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室,长春 130022
利用分子束外延技术在GaSb(100)衬底上先生长作为缓冲层以降低薄膜失配度的低Sb组分的三元合金InAsSb,再生长InAs薄膜.在整个生长过程中通过反射高能电子衍射仪进行实时原位监测.InAs薄膜生长过程中,电子衍射图案显示了清晰的再构线,其薄膜表面具有原子级平整度.利用原子力显微镜对InAs薄膜进行表征,结果显示较低Sb组分的InAsSb缓冲层上外延InAs薄膜的粗糙度比较高Sb组分的InAsSb缓冲层上外延InAs薄膜的粗糙度降低了约2.5倍.通过对不同Sb组分的三元合金InAsSb缓冲层上外延的InAs薄膜进行X射线衍射测试及对应的模拟,结果表明在较低Sb组分的InAsSb缓冲层上外延InAs薄膜的衍射峰半高峰宽较小,说明低Sb组分的InAsSb作为缓冲层可以降低InAs薄膜的内应力,提高InAs薄膜的结晶质量.利用光致发光光谱对高结晶质量的InAs薄膜进行发光特性研究,10 K下InAs的发光峰位约为0.418 eV,为自由激子发光.
InAs薄膜 InAsSb缓冲层 晶格失配 晶体质量 发光特性 分子束外延技术 X射线衍射 InAs film InAsSb buffer layer Lattice mismatch Crystal quality Luminescence properties Molecular beam epitaxy X-ray diffraction 光子学报
2019, 48(10): 1031002
集成光电子国家重点联合实验室 吉林大学电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
采用金属有机物化学气相沉积系统在硅面碳化硅衬底的(0001)面上生长氮化铝缓冲层, 并通过改变3层梯度铝镓氮（AlxGa1-xN: x=0.8,0.5,0.2）缓冲层的生长温度和氨气流量, 制备出了高质量的氮化镓外延层。分别采用X射线衍射、原子力显微镜、光致发光谱和拉曼光谱对氮化镓外延层进行表征。实验结果表明, 随着氮化镓外延层中张应力的降低, 样品的晶体质量、表面形貌和光学质量都有显著提高。在最优的梯度铝镓氮缓冲层的生长条件下, 氮化镓外延层中的应力值最小, 氮化镓(0002)和(1012)面的摇摆曲线半峰宽分别为191 arcsec和243 arcsec, 薄膜螺位错密度和刃位错密度分别为7×107 cm-2和3.1×108 cm-2, 样品表面粗糙度为0.381 nm。这说明梯度铝镓氮缓冲层可以改变氮化镓外延层的应力状态, 显著提高氮化镓外延层的晶体质量。
氮化镓 梯度铝镓氮缓冲层 晶体质量 应力 GaN step-graded AlGaN buffer crystallinity stress
