6英寸碳化硅外延片小坑缺陷研究

随着碳化硅(SiC)功率器件在新能源汽车、光伏产业、高压输电和智能充电桩等下游领域需求的爆发式增长,对高质量、低缺陷密度SiC外延材料提出了迫切需求。有研究表明,小坑缺陷可能引起器件漏电流增大,影响SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)栅氧可靠性,因此对外延材料小坑缺陷的研究成为热点之一。采用单片水平式SiC外延设备,在6英寸(1英寸=2.54 cm)偏4°SiC衬底上生长4H-SiC外延层,系统研究了外延工艺对小坑缺陷的影响。采用表面缺陷测试仪对外延层小坑缺陷形貌和数量进行表征,利用表面缺陷测试仪的同步定位系统研究了小坑缺陷的起源与形成机理。研究结果表明,通过优化碳硅比和生长温度,有效降低了4H-SiC外延层小坑缺陷密度,小坑缺陷密度可控制在25 cm^(-2)以下,实现了低缺陷密度的高质量外延材料生长。

ε-Fe_(2)O_(3)/FeO界面结构与相变机理研究

本文利用脉冲激光沉积技术在SrTiO_(3)(111)衬底上生长了ε-Fe_(2)O_(3)薄膜,并应用高分辨X射线衍射(HRXRD)、X射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)对薄膜的显微结构进行了系统表征。XRD和XPS的研究结果表明ε-Fe_(2)O_(3)(001)薄膜在SrTiO_(3)(111)衬底上外延生长,薄膜中Fe离子为+3价。TEM的结果表明,在TEM样品制备过程中,由于高能Ar离子束轰击,ε-Fe_(2)O_(3)/SrTiO_(3)界面上容易发生相变形成FeO。ε-Fe_(2)O_(3)/FeO/SrTiO_(3)的外延关系为ε-Fe_(2)O_(3)(001)[110]//FeO(111)[112]//SrTiO_(3)(111)[112]。基于ε-Fe_(2)O_(3)/FeO界面结构与取向关系,分析了离子束辐照诱导ε-Fe_(2)O_(3)→FeO相变的微观机制。

多种方法制备SiO_(2)薄膜及其性能研究

二氧化硅(SiO_(2))薄膜因出色的光学、介电、抗刻蚀和优异力学性能等特点,在光学和微电子等多个领域中有着广泛的应用。制备SiO_(2)薄膜的工艺方法及工艺条件都会影响其性能,但目前对其系统性研究仍有欠缺。本工作探讨了磁控溅射和热氧化两种制备方法,以及各种工艺条件对SiO_(2)薄膜性能的影响。首先,研究了磁控溅射过程中溅射功率对沉积速率和膜层粗糙度的影响。结果表明随着溅射功率的增加,沉积速率和膜层粗糙度均增大。其次,创新地利用马弗炉在空气氛围下进行热氧化,并与标准氧化炉的干氧和湿氧氧化进行了比较。结果表明:氧化温度要大于800℃;在900~1100℃氧化速率线性增加;在1200℃时速率增加变缓,由于空气中氧气供应略不足。基于低价位的马弗炉设备成功制备出高质量的SiO_(2)薄膜。随后,对磁控溅射与不同氛围下热氧化制得的SiO_(2)薄膜进行了折射率和抗刻蚀性的表征与对比分析。结果表明热氧化制备的SiO_(2)薄膜具有更高的折射率和更好的抗刻蚀特性。本研究不仅丰富了SiO_(2)薄膜制备的理论基础,还为不同制备方法和不同工艺条件下制得的SiO_(2)薄膜的性能提供了参考,具有较好的理论价值和实践意义。

Bele和BaBar实验γγ→DD-和γγ→ωJ/ψ数据的联合分析

B介子工厂实验Belle和BaBar通过研究双光子过程γγ→DD和γγ→ωJ/ψ,在DD不变质量谱上观测到了粲偶素χ_(c2)(2P),在ωJ/ψ不变质量谱上观测到了类粲偶素X(3915),有力地促进了粲偶素和类粲偶素的研究进展.限于统计量,这些分析工作均使用一个信号函数拟合实验数据.在使用单信号函数对这些实验数据进行联合拟合的基础上,尝试使用了双信号函数对这些实验数据进行联合拟合,所得结果为实验数据的诠释提供了一个新的视角,有助于进一步理解χ_(c2)(2P)和X(3915)的性质.

磁控溅射氧化硅和氧化硅/氮化硅/氧化硅薄膜绝缘性能的研究

研究了磁控溅射氧化硅(SiO_(2))单层和氧化硅/氮化硅(Si_(3)N_(4))/氧化硅(ONO叠层)的绝缘性能,对多批次、尺寸为4.5 cm×3.5 cm的SiO_(2)单层和ONO叠层进行了绝缘电阻测试。结果表明:ONO叠层的全域绝缘样品比例高于SiO_(2)单层的全域绝缘样品比例,且不同批次ONO叠层的绝缘性能更加稳定;相比于SiO_(2)单层,ONO叠层的桥氧伸缩振动信号(A峰)位置蓝移,氧空位缺陷相关信号(B峰)和非桥氧伸缩振动信号(C峰)相对于桥氧弯曲振动信号(D峰)较弱,说明ONO叠层的原子缺陷(氧空位、非桥氧等)较少,其原因为添加Si_(3)N_(4)夹层能够在化学上阻断SiO_(2)缺陷扩展;通过定量化A峰位置、D峰与B峰强度之比、D峰与C峰强度之比三个参数,获得了无损评估SiO_(2)单层和ONO叠层绝缘性能的指标。

GaN薄膜的太赫兹光谱响应研究

目前,太赫兹时域光谱(THz-TDS)已经成为研究固体光学参数及色散关系的有效工具。采用太赫兹时域光谱仪对纤锌矿结构GaN薄膜在0~8.0 THz范围内的吸收光谱、介电常数、折射率以及介电损耗等进行了研究。研究结果表明,频率为4.65 THz的太赫兹响应是由GaN的E2(low)声子振动模式主导的,获得的低频介电常数8.9和高频介电常数6.0与理论值接近;进一步研究了频率在4.24~4.40 THz之间的太赫兹介电常数响应谱,获得的GaN薄膜的中心振动频率与太赫兹吸收光谱一致,介电损耗值很小且逐渐趋近于0,表明GaN有良好的介电特性。得出的结论拓展了GaN基电子元器件在THz波段中的应用,对进一步研究GaN基电子元器件在THz波段的质量与可靠性具有借鉴意义。

MFI纳米片沉积层气相转化制备超薄b轴取向沸石膜

利用乙二胺-水蒸汽进行气相转化(VPT)制备超薄、取向MFI沸石膜,通过将MFI纳米片沉积层转化为致密的沸石膜,实现了膜厚度的有效控制。扫描电子显微镜和X射线衍射表明,制备的沸石膜膜厚度约为280 nm,具有高度b轴取向的致密结构。丁烷异构体双组分分离测试结果表明,在333 K下,等物质的量的正丁烷/异丁烷混合物的正丁烷渗透速率和分离因子分别为1.5×10^(-7)mol·m^(-2)·s^(-1)·Pa^(-1)和14.8。Na_(2)Si O_(3)作为低聚硅源在MFI沸石纳米片二次生长过程中能够提供硅源和碱度,通过在胺类蒸汽中实现MFI沸石纳米片间的融合生长,进一步提高了膜的取向度和致密性。

基于超表面的多通道窄带滤光片研究

针对传统多通道窄带滤光片存在尺寸大、通道选择性差的问题,该文设计了由分布式布拉格反射镜(DBR)和超表面微纳阵列组成的多通道窄带滤光片。利用传输矩阵法分析单侧DBR介质周期以及缺陷层折射率对透射光谱的影响,并优化了窄带滤光片结构。通过Comsol Multiphysics软件搭建窄带滤光片单元结构进行模拟仿真,研究了超表面以及入射角对窄带滤光片滤波特性的影响。仿真结果表明:通过调节超表面边长能够调控窄带滤光片的中心波长,在634 nm~714 nm的红光波段均可以获得一个带宽窄、透射率高的透射峰;每一个通道的的中心波长都可以通过调节超表面边长来调控,从而实现多个光谱通道的窄带滤光;入射光线小角度范围(0°~10°)内的变化对滤波性能的影响甚微。该结果为多通道窄带滤光片的设计提供了一条新的思路。

氧化铪基铁电电容的唤醒-疲劳效应与相结构演变

掺杂氧化铪(HfO_(2))铁电薄膜具有优异的尺寸微缩特性与良好的半导体工艺兼容性,其铁电电容结构兼容主流动态随机存取存储架构,是新型存储器介质材料的有力候选者。HfO_(2)基铁电电容随电学读写操作(循环)次数的增加,其代表“0”和“1”存储状态的剩余极化值会发生先增加后减小的现象,直到存储窗口不足或器件击穿失效,即器件的唤醒和疲劳效应,引发存储的可靠性问题。本文选择基于锆掺杂的HfO_(2)基铁电薄膜(Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_(2),HZO)制备电容器结构,对不同电学循环次数的电容器切片进行结构表征,发现器件的剩余极化变化与HZO薄膜的微观相结构演变直接相关:(1)唤醒过程剩余极化增加源自四方到铁电正交相的结构转变;(2)铁电正交到单斜相的结构转变是导致疲劳过程剩余极化衰减的重要原因。

利用扫描隧道显微术对SrTiO_(3)(001)上生长CoSe/FeSe异质界面结构和谱学研究

硒化铁/钛酸锶(001)(FeSe/SrTiO_(3)(001),FeSe/STO)中界面增强的超导电性一直是近些年凝聚态物理领域的热点问题之一,基于FeSe薄膜构筑异质界面是调控其超导电性和构筑新奇量子物态的重要手段。本文报道了利用分子束外延在SrTiO_(3)(001)衬底上制备了高质量硒化钴-硒化铁(CoSe/FeSe)纵向异质结的方法,利用扫描隧道显微镜和扫描隧道谱详细研究了该异质界面的电子性质和电子态密度的实空间分布。由于CoSe/FeSe界面存在强烈的电荷转移,FeSe处于过掺杂状态,导致FeSe/STO界面相互作用已不满足非绝热近似,以及FeSe中超导电性的消失。空间依赖的扫描隧道谱显示,CoSe/FeSe的异质界面边缘处出现了晶向依赖的边缘电子态和边角电子态,这些边界上的电子态受到CoSe/FeSe界面电荷转移效应的调制。该研究为基于单层FeSe/STO界面超导电性的调控及量子结构的构筑提供了借鉴。

MoX_(2)/MgPSe_(3)(X=S、Se)电子结构与光学性能的理论研究

文章采用密度泛函理论方法,研究二维MoX_(2)/MgPSe_(3)(X=S、Se)异质结的电子结构和光学性能。能带结构和态密度分析发现,MoSe_(2)/MgPSe_(3)和MoSSe/MgPSe_(3)_Ⅱ具有显著的Ⅱ型能带结构,并且该异质结的导带底(conduction band minimum,CBM)和价带顶(valence band maximum,VBM)分别在水的氧化还原电势(-4.44、-5.67 eV)两侧,该能带结构有利于该材料在光催化析氢方面的应用。通过对MoX_(2)/MgPSe_(3)施加均一的双轴应力,发现双轴应变对MoX_(2)/MgPSe_(3)的带隙有明显的线性调控作用,线性调控作用在压变传感方面有应用价值。光吸收系数的计算发现,MoSSe/MgPSe_(3)在紫外光区域的吸收强度相比较单独的MgPSe_(3)和MoX_(2)有显著的提高,说明异质结对于改善材料的光学性能具有重要作用。

Si衬底上外延生长GaN基射频电子材料的研究进展

Si衬底因兼具大尺寸、低成本以及与现有CMOS工艺兼容等优势,使Si衬底上GaN基射频(RF)电子材料和器件成为继功率电子器件之后下一个该领域关注的焦点。由于力学性质与低阻Si衬底不同,高阻Si衬底上GaN基外延材料生长的应力控制和位错抑制问题仍然困难,且严重的射频损耗问题限制着其在射频电子领域的应用。本文简要介绍了Si衬底上GaN基射频电子材料的研究现状和面临的挑战,重点介绍了北京大学研究团队在高阻Si衬底上GaN基材料射频损耗的产生机理,以及低位错密度、低射频损耗GaN的外延生长等方面的主要研究进展。最后对Si衬底上GaN基射频电子材料和器件的未来发展作了展望。

适用声波谐振器的磁控溅射制备AlN薄膜优化技术

AlN具有优良的物理化学性质以及与标准CMOS晶硅技术的兼容性,显示出优于相应的ZnO和PZT等性能,使其成为最受关注的压电材料之一。AlN压电薄膜表现出合适的机电耦合系数、高纵波声速、大杨氏模量和高热导率等特点,以及随着制备工艺和材料微结构调控技术的快速发展,使其成为5G时代声波谐振器中的关键电子材料。其成膜质量直接决定器件的工作频率、Q值和可靠性。近些年来,在反应磁控溅射法制备AlN薄膜及其微结构调控方面取得重要进展,具有成膜质量好、沉积速率高以及成本低等优点,已成为这类薄膜的首选制备方法。由于影响其成膜质量的因素很多,以至于通过某一个工艺参数调控其成膜质量往往无法同时满足多个质量指标。研究表明,AlN薄膜定向生长受溅射功率、工作气压和N_(2)/Ar流量比等多重因素影响,提高薄膜取向性相对复杂。降低薄膜应力一般通过简单地调节Ar气流量来实现,这是因为薄膜应力对Ar气流量变化极为敏感。而表面粗糙度和膜厚均匀性等主要受到溅射功率和工作气压影响。除了反应磁控溅射基本参数外,还普遍发现基底放置方向、基底材料、基底清洁度、退火温度和气氛等对薄膜的结晶及择优取向的影响也十分显著。本文围绕影响AlN压电薄膜在声波谐振器应用的主要物理指标:晶面择优取向、薄膜应力、表面粗糙度和沉积速率来展开说明,系统分析了反应磁控溅射法中的溅射功率、气体分压、基底温度等关键工艺参数对其影响的规律;最后,对AlN薄膜研究中亟待解决的问题以及未来发展方向进行了展望。

异类叠层基电荷陷阱存储器件的性能研究

采用脉冲激光沉积系统制备了Hf_(0.5)Si_(0.5)O_(2)/Zr_(0.3)Si_(0.7)O_(2)异类叠层薄膜基电荷陷阱存储器件。结果表明,经过高温退火处理,异类叠层基电荷陷阱存储器件表现出优异的电荷存储窗口、数据保持能力和瞬时写入/擦除速度。这主要归因于高温退火处理减小了异类叠层存储层中的浅能级缺陷密度,提高了叠层结构的界面陷阱密度,而且叠层结构形成的层间势垒,有效抑制了电子向衬底和电极方向的泄露。

异质外延单晶金刚石及其相关电子器件的研究进展

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。

磁控溅射参数对氧化钨薄膜结晶性的影响

氧化钨薄膜的结晶性对于其电致变色、紫外光电效应等特性影响显著.本文研究了射频磁控溅射制备氧化钨薄膜的实验参数对薄膜结晶性的影响.结果发现,升高衬底温度至265℃以上或室温下降低沉积气压至0.5Pa都可以获得含有结晶态的氧化钨薄膜,但前者为(001)择优取向,后者为(111)择优取向,而室温下当沉积气压在1Pa以上时则不能得到择优生长的氧化钨薄膜.此外,我们还发现氩氧流量比对薄膜的结晶性也有影响.这些结果可以为调控射频磁控溅射制备氧化钨薄膜的结晶性提供参考.

等离子体化学气相沉积工艺调控铜基-石墨烯复合薄膜材料微结构及电学热学性能研究

本文利用等离子体化学气相沉积PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)技术制备了铜基-石墨烯复合薄膜,通过X射线衍射及Raman光谱证实了低温合成的可行性.同时,逐步研究压强、功率、气流量、基底温度等关键参数对沉积速率的影响,实现了对薄膜材料厚度和生长过程的准确控制.进一步研究发现,H_(2)与CH_(4)的气体比例严重影响了等离子体与基底表面的相互作用,并导致了材料表面微观结构和粗糙度的协同改变.通过工艺参数和气体配比的优化,实现了对薄膜表面结构的有效调节.当H_(2)/CH_(4)为1:12时,薄膜的粗糙度最低,电子与声子的散射源被充分抑制,电导率和热导率分别达到8.3×10^(6)S/cm与158 W/m·K,表明该材料具有良好的导电性及优秀的散热效果.本文系统优化PECVD生产过程中的各项关键工艺参数,并详细分析了气体配比、表面结构、粗糙度及薄膜宏观物性之间的关联,为铜基-石墨烯复合薄膜的工业化生产和商业化应用提供了理论支撑和实验依据.

原位加热电镜技术研究WO_(3)-BiVO_(4)非晶复合薄膜退火相变过程

本文利用原位加热电镜技术和高分辨透射电镜研究了WO_(3)-BiVO_(4)非晶复合薄膜原位退火相变过程。退火过程中,薄膜中的Bi元素逐渐挥发,由于电镜中的高真空缺氧环境,加热到600℃时,形成的结晶相大部分为立方W相,少量的WO_(x)(0<x≤3)、VO_(x)(0<x≤25)和BixVOy(0<x≤1,0<y≤4)氧化物晶相,完全不同于利用脉冲激光沉积方法在充足氧气气氛和600℃条件下生长退火后形成的WO_(3)纳米柱嵌入BiVO_(4)基质中的垂直异质外延结晶复合薄膜。因此,退火气氛和样品的受热方式对薄膜的结晶相变过程有很大影响。

亚波长多功能微纳米结构制造及性能分析

利用等效介质理论计算出区熔硅微纳米结构的几何尺寸,然后在有限元模拟的基础上建立了光学模型。研究了在长波红外(8~12μm)范围内的抗反射效果,并分别分析了表面形貌和结构特征尺寸对透射率的影响。通过自由基等离子源刻蚀技术和低能量离子束刻蚀技术联合制备的方式,在硅表面形成了具有抗反射自清洁功能的微纳米复合结构。测得其透射率为78%,静态接触角为125.77°,并对所得结构进一步分析,实验结果表明:在长波红外范围微纳米复合结构的抗反射性能优于仅存在单一微米结构时,且纳米级别的微结构对红外波段减反射作用并不明显,微米结构是提升硅材料表面长波红外范围透射率的主要因素;具有微纳复合结构的材料表面张力大于单一微/纳米结构,与理论模拟结果一致,表明微纳米结构的存在能够有效改善硅表面的疏水能力。

石墨烯上异质远程外延GaN的研究

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。