具有低噪声及高线性度的高性能MOCVD-SiN_(x)/AlN/GaN毫米波MIS-HEMTs

文章在超薄势垒AlN/GaN异质结构上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)原位生长SiN_(x)栅介质,成功制备了高性能的SiN_(x)/AlN/GaN金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管(MIS-HEMTs)。深能级瞬态谱(DLTS)技术测试SiN_(x)/AlN的界面信息,显示其缺陷能级深度为0.236 eV,俘获截面为3.06×10^(-19)cm^(-2),提取的界面态密度为10^(10)~10^(12)cm^(-2)eV^(-1),表明MOCVD原位生长的SiN_(x)可以有效降低界面态。同时器件表现出优越的直流、小信号和噪声性能。栅长为0.15μm的器件在2 V的栅极电压(Vgs)下具有2.2 A/mm的最大饱和输出电流,峰值跨导为506 mS/mm,最大电流截止频率(fT)和最大功率截止频率(fMAX)分别达到了65 GHz和123 GHz,40 GHz下的最小噪声系数(NFmin)为1.07 dB,增益为9.93 dB。Vds=6 V时对器件进行双音测试,器件的三阶交调输出功率(OIP3)为32.6 dBm,OIP3/Pdc达到11.2 dB。得益于高质量的SiN_(x)/AlN界面,SiN_(x)/AlN/GaN MISHEMT显示出了卓越的低噪声及高线性度,在毫米波领域具有一定的应用潜力。

MOCVD生长的中红外高功率量子级联激光器

量子级联激光器(QCL)是中远红外波段的优质光源,具有体积小、重量轻、电光转化效率高等诸多优势,在传感、通信和国防等领域有重要的应用前景。金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术作为更高效的外延方式,应发展适用于QCL的MOCVD外延生长技术以满足快速增长的市场需求。本文报道了全结构由MOCVD技术外延的QCL,通过将传统的“双声子共振”有源区结构修订为“单声子共振结合连续态抽取”结构,减少了电子的热逃逸,改善了器件的温度特性。针对该结构,进一步改变了有源区的掺杂浓度,并对比了不同掺杂浓度对器件性能的影响。腔长8 mm、平均脊宽约6.7μm的较高掺杂有源区器件在20℃下连续输出功率达3.43 W,中心波长约4.6μm,电光转化效率达13.1%;8 mm腔长的较低掺杂有源区器件在20℃下连续输出功率达2.73 W,中心波长约4.5μm,阈值电流仅0.56 A,峰值电光转化效率达15.6%。器件的输出功率和电光转化效率较之前文献报道的MOCVD制备的QCL有明显提高。该结果表明,MOCVD完全具备生长高功率QCL的能力,这对推动QCL的技术进步具有重要意义。

大尺寸方形载板MOCVD反应腔分气和薄膜沉积过程影响因素的数值模拟研究

介绍了适用于光伏行业砷化镓(GaAs)薄膜电池制备所需的大尺寸方形载板金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应腔的多级分气系统,以及该反应腔结构设计过程中的核心参数:喷淋盘孔尺寸、载板与喷淋盘间距(简称“腔室间距”)。基于自研的容量为36×4寸的MOCVD反应腔模型,应用计算流体力学(CFD)方法,同时考虑GaAs沉积过程中的气相反应和表面反应,对不同孔参数和腔室间距时的气流分配和薄膜化学气相沉积过程进行了数值模拟。考察了跨孔压差与气流量分配均匀性的关系,以及腔室间距对反应区气体流动以及GaAs薄膜沉积的影响。结果表明:初级“蜘蛛”形分气盘将主进气口分配成64个子进气口后的分气均匀性较好,质量流量值波动幅度仅为0.22%;增加喷淋盘孔深度可缓慢且线性提高孔压差,而缩小孔径对于压差的增加非常迅速;增加喷淋盘孔压差可提高次级分气均匀性,但提升效果趋缓;大腔室间距下的沉积速率低,且均匀性差;随着腔室间距缩小,沉积速率持续增加的同时,沉积均匀性先变好,后逐渐由于气流震荡而变差。

不同Mo层厚度的AlN/Mo/Sc_(0.2)Al_(0.8)N复合结构上MOCVD外延GaN

采用脉冲直流磁控溅射法在Si(100)衬底上制备了AlN/Mo/Sc_(0.2)Al_(0.8)N复合结构薄膜,在该结构上通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术进行GaN薄膜的外延。使用原子力显微镜、高分辨X射线衍射、粉末X射线衍射、扫描电子显微镜和拉曼光谱研究了Mo插入层的厚度对Sc_(0.2)Al_(0.8)N缓冲层和GaN外延层晶体质量的影响,研究了Sc_(0.2)Al_(0.8)N缓冲层对Mo上生长的GaN外延层的影响。研究结果表明,Mo插入层的厚度是影响Sc_(0.2)Al_(0.8)N缓冲层和GaN外延层的重要因素,Sc_(0.2)Al_(0.8)N缓冲层对Mo上GaN晶体质量的提高具有重要意义。随Mo厚度的增加,Sc_(0.2)Al_(0.8)N缓冲层的表面粗糙度先减小后增大,GaN外延层的(002)面X射线衍射摇摆曲线半峰全宽先减小后增大。当Mo插入层厚度为400 nm时,GaN外延层的晶体质量最好,GaN(002)面的X射线衍射摇摆曲线半峰全宽为0.51°,由拉曼光谱计算得到的压应力483.09 MPa;直接在Mo上进行GaN的外延,GaN(002)面的X射线衍射摇摆曲线半峰全宽无法测得,说明在Mo上进行GaN的外延需要Sc_(0.2)Al_(0.8)N缓冲层。

MOCVD外延生长InN薄膜及其光学性质研究

本文通过添加InGaN垫层,利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法在GaN(0001)上外延生长了InN薄膜,研究了InN薄膜的外延规律及光学性质。研究发现,相对于GaN表面,在InGaN垫层上可以获得更高质量的InN。通过在InGaN垫层中采用适当的In组分(在本工作中为In_(0.23)Ga_(0.77)N),可以完全抑制InN生长过程中铟滴的形成,获得的InN表面形貌连续平整。采用光学显微镜、高分辨率X射线衍射(HR-XRD)、透射电子显微镜(TEM)、光吸收和室温光致发光等方法研究了InN的晶体结构和光学性质。HR-XRD的ω和ω-2θ扫描显示,InGaN垫层消除了In滴的衍射信号,并且ω扫描给出了150 nm的InN薄膜的(0002)半峰全宽为0.23°。TEM选区电子衍射发现,InN几乎是无应变的。室温下InN薄膜的光吸收和强光致发光结果表明,所制备的InN薄膜能带隙约为0.74 eV。本文还初步研究了InN的异常激发依赖性的光致发光行为,证明了InN材料的表面效应对辐射复合的强烈作用。

MOCVD生长AlN单晶薄膜的气相和表面化学反应综述

作为第三代半导体材料的代表,AlN单晶具有禁带宽度大、击穿电场强度高、电子饱和迁移率高等特点,被广泛应用于紫外和深紫外发光器件的制造。金属有机化学气相沉积(MOCVD)是生长AlN单晶薄膜最主要的技术。由于Al—N键在三种Ⅲ族氮化物(AlN、GaN和InN)中最强,导致MOCVD生长AlN过程的气相寄生反应最为严重,进而造成AlN的生长速率和效率过低、生长窗口过窄等问题。此外,较高的Al—N键能还导致含Al粒子在表面的迁移率过低,致使薄膜表面形貌变差。这些问题都与薄膜生长过程发生的化学反应密切相关。分别从气相反应路径和表面反应机理两方面,较全面地总结了前人针对MOCVD生长AlN薄膜机理开展的研究工作,并介绍了本课题组近年来在该方向取得的研究成果。最后归纳了现阶段MOCVD生长AlN研究中存在的问题与不足,并在此基础上进行了展望。

3英寸双面YBCO薄膜的MOCVD制备研究

制备大面积双面YBCO超导薄膜有助于器件集成的发展。基于自研金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统在3英寸铝酸镧基片上制备了性能优异的YBCO超导薄膜。使用扫描电子显微镜(SEM)表征了薄膜表面形貌和厚度,结果显示薄膜双面形貌一致,薄膜表面大部分平整,有少量孔洞。双面厚度接近,分别为533 nm和565 nm。X射线衍射(XRD)测试结果表明在大面积薄膜上成分分布均匀,除了(400)-Y_(2)O_(3)和LAO基片衍射峰以外,只存在尖锐的(00l)-YBCO衍射峰,薄膜双面面外扫描半峰宽低于0.3°,面内扫描半峰宽低于0.944°且仅有四个相距90°的独立尖峰,说明薄膜沿基片外延质量好。在77 K温度下分布式临界电流密度(Jc)测试结果表明薄膜具有良好载流能力,双面Jc>2.4 MA/cm^(2),面内均匀性和双面一致性高。在77 K,10 GHz的条件下,使用蓝宝石谐振器测试得到薄膜的微波表面电阻(Rs)为0.188 mΩ。结果表明自研MOCVD系统能够制备高质量、大面积的YBCO高温超导薄膜。

基于MOCVD欧姆再生长制备的高性能AlGaN/GaN HEMTs

本文基于MOCVD欧姆再生长技术,制备了高性能的AlGaN/GaN HEMTs。器件具有0.16Ω·mm的低欧姆接触电阻,并且在100K到425K的温度范围内,欧姆接触电阻表现出良好的热稳定性。由于欧姆接触电阻的改善,源漏间距L_(sd)为2μm,栅长L_(g)为100nm的器件的最大饱和电流密度I_(D,max)为1350mA/mm,跨导峰值G_(m,max)为372mS/mm,导通电阻R_(on)为1.4Ω·mm,膝点电压V_(knee)为1.8V。此外,器件也表现出优异的射频特性,电流增益截止频率f_(T)为60GHz,最大振荡频率f_(max)为109GHz,在3.6GHz下,V_(DS)偏置在15V,器件的功率附加效率PAE为67.1%,最大输出功率密度P_(out)为3.2W/mm;在30GHz下,V_(DS)偏置在20V,功率附加效率PAE为43.2%,最大输出功率密度P_(out)为5.6W/mm,这表明了基于MOCVD欧姆再生长技术制备的AlGaN/GaN HEMTs器件在Sub-6G以及毫米波波段的应用中具有巨大潜力。

MOCVD同质外延生长的单晶β-Ga_(2)O_(3)薄膜研究

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,在(010)Fe掺Ga_(2)O_(3)半绝缘衬底上进行同质外延生长Ga_(2)O_(3)薄膜,系统性地研究了生长温度(880℃/830℃/780℃/730℃)和生长压强(80/60/40/20 Torr)对外延薄膜表面形貌、晶体质量以及电学特性等的影响。结果表明随着生长温度和压强的增加:薄膜生长速率分别呈现出略微增加和大幅下降的趋势;薄膜表面阶梯束(step bunching)的生长方式逐渐增强,并且呈现出沿着[001]晶向生长的柱状晶粒;高分辨X射线衍射(XRD)扫描显示薄膜均只在(020)面存在衍射峰,表明生长的薄膜为纯β相单晶薄膜,且半高宽可达到45.7 arcsec;霍尔测试表明780℃和60 Torr的生长条件下薄膜的室温电子迁移率最高。本文为基于MOCVD的Ga_(2)O_(3)同质外延生长提供了系统的参数指导,为高质量Ga_(2)O_(3)薄膜的制备奠定了基础。

基于MOCVD的4H-SiC同质外延缺陷控制方法分析

阐述4H-SiC同质外延生长过程中出现的三角形缺陷。基于三角形缺陷的成核原理,对外延层结构和生长参数进行改进,从而在4H-SiC衬底与外延之间横向生长一层高质量的缓冲层。

高温退火对AlN外延材料晶体质量的影响

采用高温退火技术改善金属有机物化学气相沉积AlN薄膜材料晶体质量。研究发现较低的生长温度下,Al原子迁移能力弱,外延呈岛状生长模式,形成大量的柱状晶粒,晶粒倾斜、扭曲,晶格原子排列混乱,存在大量的位错和层错缺陷;高温退火时晶格发生重构,晶粒合并,位错和层错缺陷减少,晶格排列整齐,晶体质量得到提升。通过优化生长温度和退火温度,获得了高质量的200 nm厚AlN模板,其(002)和(102)面的X射线双晶衍射摇摆曲线半高宽分别为107 arcsec和257 arcsec,位错密度比退火前降低了2~3个数量级。

MOCVD方法生长的氧化锌薄膜及其发光特性

近年来 ,随着近紫外光发射氧化锌薄膜研究的进展 ,许多先进的薄膜生长手段被广泛采用。本文探索了用MOCVD方法在硅衬底上生长氧化锌薄膜的方法 ,试验了用几种不同的有机金属源生长ZnO薄膜 ;研究了源材料及生长压力和温度对薄膜生长的影响 ;观察了样品的室温光致发光光谱。通过与溅射方法生长的ZnO薄膜的比较 ,提出了影响材料结构和发光特性的可能原因。

大尺寸GaN微波材料范德瓦耳斯外延机理及应力调控研究

本文基于金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,以少层氮化硼(BN)作为插入层在4英寸蓝宝石衬底上开展范德瓦耳斯异质外延GaN微波材料的生长机理及应力调控方面的研究,探讨了AlN成核工艺对GaN缓冲层生长机制的影响,以及与材料晶体质量、应力及电学性能等之间的关联。提出了一种基于AlN/AlGaN复合成核技术的应力调控方案,首次实现了大尺寸范德瓦耳斯(vdW)异质外延材料应力的有效管控,研制的GaN微波材料的弯曲度(Bow)为+20.4μm,(002)/(102)面半峰全宽为471.6/933.5 arcsec,表面均方根粗糙度为0.52 nm,电子迁移率达到2000 cm^(2)/(V·s)。最后,基于机械剥离实现了大尺寸晶圆级GaN微波材料与蓝宝石衬底的分离,为高导热衬底转移提供便利,为大功率射频器件的制作创造条件。

连续SiC纤维表面铂涂层的制备及抗氧化性研究

采用金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)在连续SiC纤维表面沉积了约0.8μm厚的Pt涂层,用扫描电镜对涂层的形貌进行观察,用EDS能谱和XRD对涂层的成分进行了分析,并对沉积涂层后的纤维在不同温度和时间下的抗氧化性能进行了测试。结果表明,制备得到的铂涂层光滑致密,与纤维结合牢固,有效弥补了纤维表面缺陷;对沉积涂层后的纤维进行力学表征和抗氧化测试,发现铂涂层不仅增加了SiC纤维的抗拉强度,而且经700~1400℃氧化1h后纤维的抗氧化性能大幅提高。

MOCVD生长的GaN单晶膜的蓝带发光研究

对实验室用 MOCVD方法生长的未掺杂 Ga N单晶膜的发光性能进行了研究。结果表明 :在室温时未掺杂 Ga N单晶出现的能量为 2 .9e V左右蓝带发光与补偿度有较强的依赖关系。高补偿 Ga N的蓝带发射强 ,低补偿 Ga N的蓝带发射弱。对蓝带发光机理进行了探讨 ,认为蓝带为导带电子跃迁至受主能级的发光 ( e A发光 )。观察到降低 Ga N补偿度能提高 Ga N带边发射强度。

MOCVD生长InGaN/GaN MQW紫光LED

利用LP MOCVD系统生长了InGaN/GaNMQW紫光LED外延片 ,双晶X射线衍射测试获得了 2级卫星峰 ,室温光致发光谱的峰值波长为 399 5nm ,FWHM为 15 5nm ,波长均匀性良好。制成的LED管芯 ,正向电流2 0mA时 ,工作电压在 4V以下。

现代MOCVD技术的发展与展望

ＭＯＣＶＤ是一门制造化合物半导体器件的关键技术－ 本文综合分析了现代ＭＯＣＶＤ 技术的基本原理、特点及实现这种技术的设备的现状及其发展－ 重点讨论了能实现衬底温度、衬底表面反应源流均匀性的立式高速涡轮转盘ＭＯＣＶＤ技术－

衬底温度对常压MOCVD生长的ZnO单晶膜的性能影响

以 H2 O作氧源 ,Zn(C2 H5) 2 作 Zn源 ,N2 作载气 ,在 5 0 m m Al2 O3(0 0 0 1)衬底上采用常压 MOCVD技术生长出高质量的 Zn O单晶薄膜 .用 X射线双晶衍射、原子力显微镜和光致发光技术对样品进行了综合表征 ,报道了 Zn O单晶膜的 (10 2 )非对称衍射结果 .研究结果表明 ,在 5 0 0～ 70 0℃范围内随生长温度升高 ,Zn O薄膜的双晶摇摆曲线半峰宽增宽 ,表面粗糙度减小 ,晶粒尺寸增大 ,在衬底温度为 6 0 0℃时生长的 Zn O膜的深能级发射最弱 .

高质量GaN薄膜的MOCVD同质外延生长

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,在GaN自支撑衬底上同质外延生长了GaN薄膜,得到高质量的GaN外延薄膜。X射线衍射(XRD)结果显示其(002)面摇摆曲线半高宽小于100弧秒,原子力显微镜(AFM)照片上能看到连续的二维台阶流形貌,其表面粗糙度小于0.5 nm,其位错密度低于106cm-3。