碳化硅晶体中异质包裹物与微管道缺陷的关系

对物理气相传输法(PVT)生长的碳化硅单晶中异质包裹物与微管道缺陷之间的关系进行了研究。首先对生长系统中的气体组分进行热力学分析,进而对碳化硅晶片作光学显微镜和扫描电子显微镜观测,在此基础上分析了异质包裹物的生成及其对微管道缺陷产生的影响。发现在生长初期富硅的气氛会在晶体中引入异质相,而异质相的化学计量比失衡会成为诱发微管产生的源头。

PVT法碳化硅晶体生长热应力分析

基于有限元数值计算方法,对物理气相传输(PVT)法生长碳化硅(SiC)晶体过程中籽晶托、坩埚侧壁、轴向温度梯度三个因素导致的热应力进行分析.研究结果表明:籽晶托与晶体之间的热失配所引起的热应力最大区域位于二者连接部位且靠近晶锭侧边缘,且与籽晶托厚度成正相关;坩埚壁与晶体之间热失配产生的热应力集中区域位于晶锭侧面,也与坩埚壁厚度成正相关;轴向温度梯度产生的热应力取值与轴向温度梯度取值正相关,存在一温度梯度取值,使得切应力分量低于位错形成的临界剪切应力限σ_(crs).根据研究结果,优化籽晶托及坩埚结构和热场,抑制了晶体开裂现象,并大幅降低了所制备SiC晶体的位错密度.

PVT法碳化硅单晶生长系统的热场模拟

为了分析物理气相传输法碳化硅单晶生长系统中的温度分布,采用Matlab软件对PVT工艺中的热场进行了模拟。以能量方程为基础分析了由传导和辐射这两种传热方式所决定的系统的热量分配;采用有限元素法对所建立的描述连续函数的偏微分方程进行数值化离散;应用迦辽金加权残值法对由近似函数表征的离散方程转化为矩阵方程的形式;设计了平均算法计算出了系统的温度分布。更好地了解了碳化硅晶体生长过程的物理实质,以便更有效地改进生长系统,优化工艺参数。

3英寸半绝缘4H-SiC单晶的研制

报道了采用物理气相传输（PVT）法进行SiC单晶生长方面取得的最新进展，成功研制得到固态微波器件急需的3英寸（75mm）半绝缘4H-SiC衬底。使用计算机模拟技术，进行了3英寸（75mm）4H—SiC晶体生长的热场设计，并在此基础上研制出适合3英寸（75mm）4H．SiCPVT生长的晶体生长设备，采用喇曼光谱对晶体生长表面5点进行测试，结果均为单一的4H晶型，采用非接触电阻率面分布（COREMA）方法测得晶片电阻率为10^9-10^12ΩQ·cm。微管道缺陷（MPD）测量采用熔融KOH腐蚀法，测得平均微管道密度为104个／cm。，其中晶片的30％区域微管道缺陷小于10个／cm2使用x射线双晶衍射测试得到其半高宽（FWHM）为31arcsec，说明所获得的晶体具有良好的结晶完整性。

DAST晶体的生长与表征

根据实验获得的亚稳区范围为指导,采用籽晶-溶液降温法进行对4-N,N-二甲胺基-4’-N’-甲基-氮杂芪的对甲苯磺酸盐(DAST)晶体的生长,获得了2颗尺寸较大的DAST晶体。X线衍射(XRD)图谱分析发现有较强的(004)面和(006)面的特征峰,光致发光谱(PL)测试发现573.5nm处存在N(CH3)2基团产生的特征峰,601.6nm处存在二甲胺基和磺酸盐基分子间电荷转移过程产生的特征峰,647nm存在由烯双键产生的特征峰,通过晶体的XRD、PL光谱测试,证实了实验制备的晶体为DAST晶体。同时,还测试了晶体的维氏硬度,以及使用原子力显微镜(AFM)及微分干涉显微镜对晶体的表面形貌进行了观测。

有机非线性光学晶体DAST籽晶表面研究

采用籽晶法可获得大尺寸、高质量的4-N,N-二甲胺基-4’-N’-甲基-氮杂芪的对甲苯磺酸盐(DAST)晶体,而DAST籽晶的表面质量直接影响晶体质量。采用自制DAST源粉,通过溶液降温法自发成核生长DAST籽晶,并对其表面进行了研究。采用红外光谱对DAST源粉进行测试发现,DAST晶体有一定的吸水性。微分干涉显微镜及原子力显微镜(AFM)检测DAST籽晶表面形貌,结果表明,DAST籽晶表面存在凹坑、生长台阶等缺陷。

核磁共振波谱法表征DAST分子结构

DAST晶体(即4-N,N-二甲胺基-4’-N’-甲基-氮杂芪的对甲苯磺酸盐晶体)具有优良的二阶非线性光学性能和电光效应特性,可用于红外至太赫兹波段辐射与检测领域.为了表征DAST源粉分子结构及纯度,选择CD3OD和DMSO-d6两种溶剂分别对DAST源粉进行了1H NMR、13C NMR、1H-1H COSY、HSQC和HMBC表征.通过对谱峰的归属及分析发现,DAST在CD3OD溶液中倾向于以离子对状态存在,而在DMSO-d6溶液中倾向于以解离状态存在,并根据谱峰的变化推测了DAST在从CD3OD溶液环境向DMSO-d6溶液环境变化时解离过程中电子云在共轭结构上重新分布的规律和骨架的变化情况.

DAST源粉表征与晶体制备

通过X射线粉末衍射、核磁共振波谱法对制得的DAST源粉进行表征,确证其分子结构并计算出源粉纯度为99.7%。然后使用该DAST源粉配制其甲醇溶液,并利用溶液降温法通过自发成核过程培养出尺寸为(2~3)mm×(2~3)mm×(0.3~0.5)mm的DAST晶体。

SiC单晶生长界面形状计算机模型的建立及验证

利用多物理场耦合模拟软件研究了3英寸(1英寸=2.54 cm)碳化硅(Si C)单晶生长中感应线圈位置对单晶生长系统温度场的影响。分析了感应线圈位置变化对晶体表面径向温度、晶体内部轴向温度以及晶体生长界面形状的影响。同时分析了不同生长时期晶体的界面形状和各向温差的变化规律,建立了3英寸Si C单晶生长界面形状计算机模型,进而将计算机模拟得到的晶体界面形状与单晶生长对照实验获得晶体的界面形状相对比,验证了该模型的可靠性。以此为依据,优化了单晶生长工艺参数,获得了理想的适合3英寸Si C单晶生长的温度场,并成功获得了高质量的3英寸Si C单晶。

基于DAST晶体的高能量超宽带可调谐小型化差频THz辐射源研究

基于双温区法生长的高质量 DAST(4 (4 二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯酸盐)晶体成功搭建了高能量、超宽带可调谐差频THz辐射源系统尺寸40cm×25cm 调谐范围达到0.3~19.6THz 最大输出能量达到4.02μJ/pulse@18.6 THz 信噪比最高达到32.24 dB 结合振镜扫描技术以0.1 THz为步长超宽带光谱扫描时间小于1 min.实验中观测到差频产生 THz 波的输出饱和现象并研究了基于 DAST 晶体差频产生 THz 波的偏振特性与传输特性证明基于 DAST 晶体差频产生的 THz 波消光比达到 0.05 且差频过程满足 0 类相位匹配条件.基于该太赫兹辐射源对多种固体样品在 2 ~14 THz 范围内的超宽带 THz 光谱信息进行了有效获取.

高纯度α-SiC粉料的合成

为获得高纯半绝缘(HPSI)SiC生长用粉料,采用自蔓延高温合成(SHS)法获得了高纯度α-SiC粉料。在合成小粒径β-SiC粉料基础上,对粉料进行物理破碎,通过二次合成,经高温相转变和再结晶过程得到大粒径α-SiC粉料。利用X射线衍射(XRD)、辉光放电质谱(GDMS)、二次离子质谱(SIMS)、扫描电子显微镜(SEM)和激光粒度仪等测试手段对合成的粉料进行了表征和分析,并对使用该方法合成的SiC粉料进行了单晶生长验证,通过SIMS和非接触式电阻率测试仪等对SiC单晶的杂质浓度、电阻率等参数进行了测试。结果表明,增加破碎工艺环节后合成的α-SiC粉料N杂质浓度小于1.0×10^(16) cm^(-3),但粒径更大(平均值为1 853μm,中位径为1 851μm)、游离C质量分数更低(<0.01%)。采用高纯度α-SiC粉料减少了晶体内包裹物,有助于提高SiC晶体质量。

SiC单晶体放射状裂纹缺陷研究

在采用物理气相传输(PVT)法生长碳化硅(SiC)单晶的过程中,放射状裂纹是常见的缺陷。使用微分干涉显微镜对SiC单晶体和晶体抛光片表面形貌进行观测,结合晶体突变光滑面生长模型,对PVT法生长的SiC单晶放射状裂纹缺陷的形成机理进行了研究,并提出了消除或抑制放射状裂纹缺陷产生的方法。研究结果表明,放射状裂纹的出现与PVT生长过程中晶体微管密度紧密相关。在晶体生长初期,晶体生长平台平铺至尺寸较大的微管后形成微裂纹,这些微裂纹会随着晶体生长中的应力释放而沿晶体径向增殖、汇聚,最终与径向上的其他微裂纹连接成宏观放射状裂纹。通过提高SiC籽晶质量(低微管密度)、优化生长工艺参数可有效抑制放射状裂纹的产生。

一种甲苯磺酸盐核磁共振谱峰归属与晶体制备

通过两步有机反应制备出4-N,N-二甲胺基-4’-N’-甲基-氮杂茋的对甲苯磺酸盐（DAST）粉体,并利用重结晶法进行提纯。通过DAST的二维核磁共振（2D NMR）中同核相关谱（correlated spectroscopy,COSY）、异核单量子相干谱（heteronuclear single-quantum coherence,HSQC）和异核多键相关谱（heteronuclear multiple-bond correlation,HMBC）进行表征,实现了^1H和^13C NMR谱峰的完全归属,确证了DAST分子结构。使用经提纯后的DAST粉体配制其甲醇溶液,通过溶液降温法自发成核过程生长出尺寸为（1～3）mm×（1～3）mm×（0.3～0.6）mm的DAST晶体。