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。

单晶金刚石异质外延用铱复合衬底研究现状

金刚石优异的物理性质使其成为下一代最有发展潜力的半导体材料之一。目前来看,基于微波等离子体化学气相沉积的异质外延可能是未来制备大尺寸单晶金刚石的最佳方法。在过去的三十年间,铱复合衬底上异质外延生长单晶金刚石取得了一定进展,特别是近几年实现了2英寸(1英寸=2.54 cm)以上的大尺寸自支撑单晶金刚石的生长。本文总结了金刚石异质外延用的衬底,简要介绍了异质衬底上的偏压增强成核,详细介绍了目前最成功的铱/氧化物、铱/氧化物层/硅复合衬底,最后对金刚石异质衬底和异质外延进行了总结,指出目前存在的问题并给出了一些可能的解决思路。

亚稳相Ga_(2)O_(3)异质外延的研究进展

作为一种新兴的超宽禁带半导体材料,氧化镓(Ga_(2)O_(3))被认为是下一代高功率电力电子器件领域的战略性先进电子材料。相较于热稳定的β-Ga_(2)O_(3),亚稳相Ga_(2)O_(3)表现出更为新颖的物理性质,逐渐受到关注。通过异质外延生长高质量的亚稳相Ga_(2)O_(3)单晶薄膜是实现亚稳相Ga_(2)O_(3)基功率电子、微波射频和深紫外光电信息感知器件的重要前提。重点阐述了亚稳相Ga_(2)O_(3)的晶体结构、电子能带结构以及相关物理性质,总结了近年来亚稳相Ga_(2)O_(3)异质外延和能带工程的研究进展,并对未来亚稳相Ga_(2)O_(3)材料和器件的发展趋势进行了展望。

定向局部异质外延生长的p型金刚石膜压阻效应的研究

本文研究了局部定向异质外延生长的金刚石膜的压阻效应，实验研究表明，这种膜的压阻因子在200微应变，室温下约为1300．其值大大超过了单晶硅的相应值，这是因为外延膜中缺陷态降低并且改进了测试方法，文中还简单讨论了金刚石膜压阻效应的起因．

(001)GaAs衬底上异质外延的立方GaN薄膜与界面

用电子回旋共振微波等离子体辅助金属有机化学气相沉积（ＥＣＲ－ＰＡＭＯＣＶＤ）法，在低温条件下，在（００１）ＧａＡｓ衬底上异质外延，生长了立方晶ＧａＮ薄膜．高分辩电镜（ＨＲＥＭ）观测与Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）测量结果表明：ＧａＮ薄膜具有典型的闪锌矿结构；三种方法测得其晶格常数为０．４５１～０．４５７ｎｍ；在ＧａＮ／ＧａＡｓ界面处的生长模式为异质外延；ＧａＮ薄膜中的位错主要为堆垛层错与刃形位错；随着远离界面，ＧａＮ中位错密度与镶嵌组织迅速减少．

单晶硅衬底异质外延3C-SiC薄膜研究进展

3C-SiC薄膜的外延生长一直是SiC材料制备领域的一个热点,单晶Si衬底异质外延3C-SiC是实现大尺寸、低成本薄膜的有效方法,备受人们关注。单晶Si与3C-SiC之间存在较大的晶格失配(20%)和热膨胀系数差异(8%),严重制约着高质量单晶薄膜的制备。本文对单晶Si衬底异质外延3C-SiC薄膜的基本原理和工艺过程进行了总结,着重介绍了薄膜生长中的缺陷和可控掺杂方面的研究进展以及面临的挑战,并对今后的研究热点做了归纳展望。

异质外延GaN及其三元合金薄膜的RBS/channeling研究

本文阐述了用ＲＢＳ／ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ技术研究异质外延ＧａＮ及其三元合金薄膜的重要性和必要性，报道了实验测量出的ＧａＮ及其三元合金ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ膜的结构，给出了较为准确的元素种类、成分配比、薄膜厚度、合金元素的浓度随深度的分布、结晶品质、晶轴取向等信息，测出了几种薄膜的背散射沟道谱与随机谱之比χｍｉｎ值（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ的χｍｉｎ值可低至１．１７％）和沟道坑的半角宽Ψ１／２（ＧａＮ的半角宽为０．７４°），对于其他测试方法无法给定的中间层的情况及不同衬底对成膜的影响，本文亦有明确的说明．

碳化硅异质外延薄膜生长及表面缺陷研究

讨论了引入Ⅲ Ⅴ族氮化物为蓝宝石与碳化硅中间的缓冲层 ,用常压气相外延手段在蓝宝石 /Ⅲ Ⅴ族氮化物复合衬底上异质外延碳化硅薄膜的过程 .在C面 (0 0 0 1)蓝宝石上成功地生长出SiC薄膜 .扫描电子显微镜显示薄膜表面连续、光滑 ,证明良好的氮化物缓冲层对碳化硅薄膜异质生长具有重要的意义 ,同时在表面发现直径为 1～ 10 μm的六角形缺陷 .对缺陷面密度与工艺参数的关系进行了分析 ,并对缺陷产生的机理进行了探讨 ,认为反应产生物的腐蚀是产生六角形缺陷的来源 .

SiC衬底上异质外延GaN薄膜结构缺陷对黄光辐射的影响

利用光致发光技术对在SiC衬底上采用MOCVD异质外延未故意掺杂的GaN进行发光特性的研究 ,发现在室温下有很强的黄光输出 ,同时 ,采用扫描电子显微术和X光衍射对样品的表面形貌和结构进行了研究 ,结果发现 ,随着缺陷密度的减少 ,黄光输出强度也有所降低 ,因此 。

偏压加强MPCVD法Ir(100)/MgO(100)基片上金刚石异质外延形核

利用自行研制的可调谐圆柱谐振腔式微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）装置的结构优势,设计了电极可调节的偏压加强MPCVD装置。采用脉冲激光沉积（PLD）法制备了Ir（100）/MgO（100）基片。采用偏压加强MPCVD装置进行了金刚石异质外延形核的探索,在Ir（100）/MgO（100）基片上实现了金刚石异质外延形核。扫描电镜结果显示,[100]取向的金字塔状外延金刚石晶粒的形核密度达108~109cm-2。

SiC衬底上异质外延GaN薄膜XPS谱和PL谱研究

利用X射线光电子能谱 ,对在SiC衬底上采用MOCVD异质外延的未故意掺杂的GaN进行N、Ga组份测试 ,同时用光致发光技术对样品进行发光特性的研究 结果表明 ,随着GaN薄膜中Ga百分含量逐渐减小 ,室温下黄光输出峰值强度却逐渐增加 因此 ,在Ga含量相对低的GaN薄膜中容易形成Ga空位 (即Ga空位浓度较高 ) ,而此时 ,黄光辐射强度单调递增证明 。

高质量InSb薄膜的MBE同质和异质外延生长

InSb是3~5μm中波红外波段具有重要研究意义的材料。本文以单位内部生产的InSb(100)衬底为基础,通过摸索InSb(100)衬底的脱氧、生长温度和Ⅴ/Ⅲ束流比,获得了高质量的InSb同质外延样品,1.5μm样品的表面粗糙度RMS≈0.3 nm(10μm×10μm),FWHM≈7 arcsec;采用相同的生长温度和Ⅴ/Ⅲ束流比并采用原子层外延缓冲层的方法在GaAs(100)衬底上异质外延生长本征InSb层,获得了较高质量的异质外延InSb样品,1.5μm样品的室温电子迁移率高达6.06×10~4cm^2V^(-1)s^(-1),3μm的样品最好的FWHM低至126 arcsec。InSb材料的同质和异质外延优化生长可为高温工作掺Al的InSb器件结构的优化生长提供重要参考依据。

6H-SiC衬底上异质外延3C-SiC薄膜的结构研究

以SiH4和C3H8为反应源,在1250℃下,采用低压热壁化学气相淀积法在6H-SiC衬底上异质外延生长了3C-SiC薄膜.扫描电镜和原子力显微镜测试结果显示,样品表面光滑、无明显岛状结构物质.剖面透射电镜照片显示SiC外延层致密均匀、界面平整,厚度约为50nm.高分辨透射电镜结果显示,衬底与外延层分别为排列整齐的6H-SiC结构和3C-SiC结构,两者过渡平坦、界面处无其他晶型.选区电子衍射花样标定结果再次说明外延薄膜为闪锌矿结构的3C-SiC,计算的晶格常数为0·4362nm.

硅基片上异质外延SiC的机理研究(英文)

本文利用低压高温MOCVD系统 ,成功地在Si(111)基片上外延出了具有高质量的SiC薄膜 ,并对其反应机理做了一些初步的研究。大部分观点认为 ,SiC/Si的异质外延 ,其最初的状态应该为Si衬底中Si的扩散。但是 ,本文通过在不同流量比的条件下 ,SiC薄膜在Si基片以及Al2 O3 基片上外延的比较 ,发现在SiC/Si的异质外延过程中起重大作用的并非Si衬底中Si的扩散 ,而是很大程度上作用于C向Si衬底的扩散。同时 ,还发现反应速率的快慢受SiH4流量所限制。当SiH4流量增加时 ,反应速率会明显加快 ,但是结晶质量会相对变差。

单晶金刚石异质外延生长过程中的位错行为及其控制工艺研究进展

位错是异质外延单晶金刚石合成过程中的重要线缺陷,而降低位错密度是金刚石在电子器件领域上应用的显著挑战。本文以降低Ir衬底上异质外延金刚石膜中位错密度为目标,首先对该过程中的位错产生、类型、表征等进行阐释,然后从理论与工艺相结合的角度总结了加剧位错反应(增加外延层厚度,偏轴衬底生长)、除去已有位错(横向外延过度生长,悬挂-横向外延生长,图形化形核生长)及其他方法(三维生长法、金属辅助终止法、采用金字塔型衬底法)在降低金刚石位错密度方面的最新进展,随后结合经典的大失配异质外延半导体体系降低位错的理论,提出了衬底图形化技术、超晶格缓冲层技术和柔性衬底技术等可通过抑制引入位错来进一步降低位错密度的研究方向,最后对本领域的发展现状和未来展望进行了总结。

反应烧结碳材料表面异质外延生长SiO_2晶体的研究

利用高温反应烧结在不同结构碳材料表面热蒸发进行二氧化硅(SiO_2)晶体的外延生长。采用X-射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和电子能谱仪(EDS)分析和研究了碳材料表面生成物的物相组成与显微形貌,探讨了SiO_2晶体的外延生长机理。研究结果表明,不同结构碳材料表面能外延生长SiO_2晶体,但形态不同。在碳纤维表面形成颗粒和短晶须状SiO_2晶体,在石墨片上形成凸起团聚状SiO_2晶体,而在金刚石表面首先形成了Si-O涂层,然后在Si-O涂层上生长棒状SiO_2体。碳材料外延生长SiO_2晶体是首先通过热蒸发法使Si沉积到碳材料表面,然后Si与体系中的O反应形成SiO_2晶核,在不同结构碳材料表面生长SiO_2晶体。

金刚石薄膜异质外延的研究进展

主要介绍金刚石薄膜在Si上异质外延的研究状况。综述了外延金刚石薄膜的偏压形核 ,SiC过渡层的影响及一些实验参数对外延薄膜质量的影响等 。

CVD异质外延金刚石膜最新研究进展

评论了国内外化学气相沉积的异质外延金刚石膜制备技术、性质表征以及应用和展望。

氧化物异质外延薄膜生长的计算机模拟

利用Monte Carlo方法分别模拟了在Sr-TiO3基底上沉积MgO薄膜和在MgO基底上沉积SrTiO3薄膜。模拟中,选取与实验中薄膜生长相近的参数条件,引入了新的参数扩散势垒,得到了在晶格正失配(张应力)和负失配(压应力)下薄膜生长的形貌图以及薄膜粗糙度的变化曲线图,分析了张应力和压应力对薄膜生长形貌的影响。模拟结果与文献报道的外延薄膜生长模式的实验观察结果一致。