Ga-N熔体热力学性质及钠助熔剂法制备GaN单晶的研究进展

作为第三代半导体的关键材料之一,Ⅲ族氮化物在过去几十年中因其应用于光电子和微电子器件而得到了广泛的研究,如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和高电子迁移率晶体管(HEMT)。Na助熔剂法已成为生长高质量GaN晶体的重要技术之一。综述和讨论了Na助熔剂法GaN结晶的发展历程与最新技术,包括Ga-N的结晶热力学性质、熔体结构、助熔剂选择、单点籽晶技术、多点籽晶技术、孔隙与位错控制、形貌演化与生长条件优化等。最后,对比其他体GaN技术,展望了Na助熔剂法的挑战与机遇。

5G基站用740MHz~960MHz 705W GaN功率器件的研制

为了提升740MHz~960MHz 705W GaN功率器件的输出功率和抗失配能力,对GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)和GaN功率器件进行设计,采用双场板技术和背面通孔技术解决器件击穿电压低和抗负载失配能力差的问题。同时,基于预匹配技术和金属陶瓷封装技术,成功研制出Dohert结构的GaN功率器件。对设计出的GaN功率器件进行测试,在工作电压为48V、工作频段为740MHz~960MHz的条件下,实现输出功率达到708W,带内功率附加效率最高达77.8%,功率增益大于16.5dB,抗失配能力达到5:1的性能指标。

基于分离多量子垒电子阻挡层的AlGaN基深紫外发光二极管

通过分离多量子垒电子阻挡层(EBL)结构,实现了AlGaN基DUV-LED器件性能的提升。由仿真结果可得,与传统的块状EBL相比,采用分离多量子垒结构的EBL可以获得更高的空穴浓度和辐射复合速率。这得益于EBL中间的夹层形成了空穴加速区,使得空穴在加速区获得能量,从而提高了空穴注入效率。另外,多量子势垒结构还能够通过提高电子势垒有效抑制电子泄漏,从而大幅度提升器件性能。综上所述,多量子垒电子阻挡层的引入可以显著提升AlGaN基DUV-LED器件的性能。

高掺杂低位错p型GaN材料生长研究

对采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在SiC衬底上生长的p型GaN材料进行了研究。p型GaN材料通常采用Mg掺杂来实现,但Mg有效掺杂量的增加会导致材料的空穴浓度提高,表面粗糙度变大、位错密度增加。采用Delta掺杂方式,在Cp_(2)Mg通入量一定的情况下,通过对温度、压力以及Delta掺杂过程中TMGa通入时间的调控实现了对p型GaN材料掺杂浓度与表面粗糙度和位错密度之间的平衡优化。结果显示,生长温度1150℃、生长压力400 mbar(1 mbar=100 Pa)、TMGa通入时间40 s的样品均方根表面粗糙度为0.643 nm,(002)晶面半高宽(FWHM)为176.8 arcsec,空穴迁移率为11.8 cm^(2)/(V·s),空穴浓度为1.02×10^(18)cm^(-3),实现了电学性能与晶体质量的平衡。

VB/VGF法制备掺FeInP晶体的电阻率均匀性

针对4.5英寸(1英寸≈2.54 cm)掺Fe InP晶体普遍存在的轴向和径向电学参数分布不均匀问题,深入研究了晶体生长工艺参数对电学参数分布的影响。结合垂直布里奇曼(VB)法和垂直梯度凝固(VGF)法,利用六段温区控制及坩埚线性下降的装置,优化了坩埚的旋转和下降速度,以调节掺杂剂Fe在熔体中的分凝、固液界面形状及晶体头部与尾部的生长速度。这些措施不仅改善了晶体的固液界面形状,使其由较凹变得平缓,同时实现了晶体生长速率的合理匹配与温度梯度的精确控制,显著提升了晶体的位错密度和电学参数的均匀性。与传统VGF法相比,VB/VGF法掺Fe InP晶体的轴向电阻率差值降低了259%,径向电阻率均匀性提高了2.0%~7.1%。

热阻降低39.5%的4英寸金刚石基GaN HEMT工艺

散热问题是制约GaN大功率器件应用的瓶颈,为解决这个问题,研究人员将注意力集中到金刚石上的GaN结构(金刚石基GaN)。研发了一种将4英寸(1英寸=2.54 cm)GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)转移到金刚石上来提高散热效率的工艺技术。首先采用GaN HEMT标准工艺制备GaN器件,然后将衬底进行剥离去除,接着将纳米级粘接层沉积到GaN和多晶金刚石的表面,最后通过4英寸晶圆级键合工艺,将去除衬底的GaN HEMT转移到金刚石上。测试结果显示,转移后的GaN HEMT的热阻较转移前热阻降低了39.5%,6.5 W总耗散功率下GaN HEMT的结温降低了33.77℃。而且,在48 V下对转移后的GaN HEMT进行了测试,结果表明,栅源电压1 V下漏极电流密度为0.93 A/mm,频率3.5 GHz下输出功率密度达到10.45 W/mm,功率附加效率(PAE)为51%,增益为13.9 dB。

N极性GaN衬底表面超高真空清洁工艺

针对经过化学腐蚀预处理并具有清晰台阶流形貌的自支撑N极性GaN衬底,研究了在超高真空中采用氩离子轰击和不同气氛保护下退火等技术进一步对其进行表面清洁的方法,并采用X射线光电子能谱和俄歇电子能谱对处理结果进行分析。实验结果表明,氩离子轰击可有效清除表面的C、O等污染,且处理后的表面能带弯曲值稳定在(1.73±0.12)eV。但是氩离子轰击也会不可避免地造成表面偏析,使表面Ga与N的原子个数比明显上升。而在氮气和氢气的混合气体通过射频等离子体源产生的原子气氛保护下以800℃退火后,既能够去除C、O等表面污染,也能抑制表面N原子的流失和表面偏析。该超高真空处理工艺对N极性GaN衬底表面具有很好的清洁效果。

力电流联合载荷作用下GaN半导体准脆性断裂行为

压电半导体(PSC)结构在工程应用中不可避免地受电流、应力场等共同作用,多场应用环境往往导致其发生复杂的变形、断裂失效等问题。通过引入影响特征裂纹长度的电流参数,建立了压电半导体在力电流联合载荷作用下断裂行为的预测模型。经力电流联合载荷实验验证,该模型预测范围涵盖了所有强度和断裂实验数据点,表明其可以有效地预测压电半导体的准脆性断裂行为。系统研究了电流载荷对压电半导体准脆性断裂行为的影响,为复杂环境下GaN构件的可靠性设计提供了一定的理论及数据支撑。

二维氮化镓中空位缺陷研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了二维氮化镓(2D-GaN)平面和翘曲结构中电中性Ga空位(V_(Ga))和N空位(V_(N))的形成能、能带结构及电子态特性。采用杂化泛函方法,计算了含Ga空位的2D-GaN(2D-GaN-V_(Ga))和含N空位的2D-GaN(2D-GaNV_(N))缺陷体系的电子结构。结果表明,在2D-GaN平面结构中,V_(N)缺陷形成能量低于V_(Ga)的能量,说明V_(N)缺陷更容易形成。在2D-GaN翘曲结构中,V_(Ga)缺陷形成能量低于V_(N)的能量,说明V_(Ga)缺陷更容易形成。在2D-GaN平面和翘曲两种体系结构中,V_(Ga)均为受主缺陷,V_(N)均为施主缺陷。研究结果对系统地理解2D-GaN及其缺陷模型的性质有重要意义,为发展基于2D-GaN的大功率器件、深紫外光电器件和光通信等领域提供理论参考。

韶关冶炼厂自主成功制备出高质量砷化镓单晶

7月14日,中金岭南韶关冶炼厂稀贵金属绿色回收与提取实验室半导体衬底材料中试团队利用自有技术成功生产出第一根砷化镓单晶棒,单晶棒外观质量优良,初步判定为零缺陷长单晶体。此次实验第一次投料就成功产出成晶率高、质量优良的单晶棒。

多孔GaN阵列结构的制备及其光电性能

以硝酸钠溶液作为腐蚀液,通过电化学和紫外辅助电化学相结合的两步法腐蚀GaN薄膜,制备出了多孔阵列结构。采用扫描电子显微镜(SEM)表征了多孔阵列结构的形貌,结果表明多孔GaN阵列结构排列整齐,孔径分布均匀,其平均孔径为24.1 nm,孔隙密度为3.86×10^(10 )cm^(-2),深度为2μm。利用X射线衍射仪(XRD)和Raman光谱仪表征了多孔GaN阵列的晶体结构,与平面GaN薄膜相比,多孔GaN阵列结构的晶体质量更好,且具有较低的残余应力。使用光致发光(PL)光谱和紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱表征了GaN的光学性能,与平面GaN薄膜相比,多孔GaN阵列结构的光致发光强度和光吸收能力有较大提升。通过电化学工作站对多孔GaN阵列结构的光电性能进行测试,在1.23 V偏压下,多孔GaN阵列结构的光电流是GaN平面结构的约3.36倍,最大光电转化效率ηmax是平面GaN薄膜的约3.5倍。该研究为多孔GaN阵列结构的应用提供了一定的实验数据和理论指导。

6英寸低位错InP单晶生长研究

为了获得6英寸(1英寸≈2.54 cm)低缺陷InP单晶,采用改进的高压液封直拉技术生长了低位错密度的直径6英寸、最大长度超过了120 mm的InP单晶。掺杂剂为Fe和S,晶体的导电类型分别是半绝缘型和n型。首先分析了6英寸InP单晶生长的难点,利用半封闭热屏方法减小晶体内部的温度差异来降低晶体内的位错密度,同时采用多加热器热场调节晶体生长界面的稳定性并降低孪晶形核概率。从工艺角度阐述了固液界面对生长过程中位错及孪晶的影响,并提出降低位错增殖的工艺措施。通过优化生长条件及合适的固液界面形貌,将直径6英寸的半绝缘InP单晶的位错密度降低到0.5×10^(4)~1×10^(4)cm^(-2)。对掺S的n型InP单晶片,超过70%面积上位错密度可以低至0.5×10^(3)~1×10^(3)cm^(-2)。

GaN薄膜低温外延的ECR-PAMOCVD技术

给出了用电子回旋共振微波等离子体辅助金属有机化学汽相沉积（ＥＣＲ－ＰＡＭＯＣＶＤ）技术和在低温（≤６００℃）、极低气压（≤１Ｐａ）下生长ＧａＮ外延膜的装置、工艺及实验结果。并与以往的ＧａＮ外延技术进行了比较，说明了这种新的低温外延技术的独特优点。

用飞秒激光触发GaAs光电导体产生THz电磁波的研究

报道了用半绝缘 Ga As材料研制的光电导偶极天线在飞秒激光脉冲触发下辐射 THz电磁波的实验结果 .Ga As光电导偶极芯片的两个欧姆接触电极间隙为 3m m,采用 Si3N4 薄膜绝缘保护 ,在 5 4 0 V直流偏置下被波长80 0 nm,脉宽 14 fs,重复频率 75 MHz,平均功率 130 m W的飞秒激光脉冲触发时产生 THz电磁波 .用电光取样测量得到了 THz电磁脉冲的时域波形和频谱分布 .THz电磁波的辐射峰值位于 0 .5 THz左右 ,频谱宽度大于 2 THz,脉冲宽度约为 1ps.

GaAs衬底上立方GaN的低温生长

研究了以（００１）ＧａＡｓ为衬底的用ＥＣＲＰＡＭＯＣＶＤ法生长的立方ＧａＮ薄膜的主要性质，阐述了实验过程与生长用设备。在生长过程中，衬底温度约为６００℃，反应器内压力约０４Ｐａ。

AlAs选择性湿氮氧化的工艺条件对氧化速率的影响

结合垂直腔面发射激光器的制备 ,详细研究了 Al As选择性湿氮氧化工艺中氧化炉温、氮气流量、水温等条件和 Al As薄层的横向氧化速率之间的关系及其对氧化结果的影响 ,给出了合理的定性解释 ,并得到了可精确控制氧化过程及其均匀性的工艺条件 .在优化的工艺条件下运用湿氮氧化制备出低阈值的 In Ga As垂直腔面发射激光器 .

半绝缘GaAs衬底中位错对MESFETs旁栅效应的影响

在位错密度不同的LEC半绝缘（SI）GaAs衬底上离子注入制做MESFETs，观察衬底位错对MESFETs旁栅效应的影响．结果表明，衬底中高位错密度可以抑制旁栅效应．

用于GaN生长的蓝宝石衬底化学抛光研究

蓝宝石是生长GaN材料最常用的衬底，本文研究了H2SO4和H3PO4的混合酸液的温度、混合酸的比例以及腐蚀时间对蓝宝石腐蚀速率的影响．发现在H2SO4：H3PO4=3：1的溶液中的腐蚀速率是由表面化学反应速率所控制．利用X射线双晶衍射对除去蓝宝石表面的机械损伤层情况进行了测量．

N型GaN的持续光电导

本文报道了金属有机物化学气相外延（ＭＯＶＰＥ）生长的未人为掺杂和掺Ｓｉｎ－ＧａＮ的持续光电导（ＰｅｒｓｉｓｔｅｎｔＰｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ——ＰＰＣ）．在不同温度下观察了光电导的产生和衰变行为．实验结果表明，未人为掺杂和掺Ｓｉｎ－ＧａＮ的持续光电导和黄光发射可能起源于深能级缺陷，这些缺陷可以是ＶＧａ空位、ＮＧａ反位或者ＶＧａ－ＳｉＧａ络合物．和未人为掺杂样品Ａ相比，样品Ｂ中因Ｓｉ的并入导致ＧａＮ中的深能级缺陷增加，提高了ＧａＮ中黄光发射，使持续光电导衰变减慢，但实验未发现黄光的加强和光电导衰变特性与两样品生长温度有明显关系．随测量温度的增加，持续光电导衰变加快，衰变曲线能用扩展指数定律进行拟合．

Si(111)衬底无微裂GaN的MOCVD生长

采用 Al N插入层技术在 Si(1 1 1 )衬底上实现无微裂 Ga N MOCVD生长 .通过对 Ga N外延层的 a,c轴晶格常数的测量 ,得到了 Ga N所受张应力与 Al N插入层厚度的变化关系 .当 Al N厚度在 7～ 1 3nm范围内 ,Ga N所受张应力最小 ,甚至变为压应力 .因此 ,Ga N微裂得以消除 .同时研究了 Al N插入层对 Ga N晶体质量的影响 ,结果表明 ,许多性能相比于没有 Al N插入层的 Ga