氢氟酸处理InP/GaP/ZnS量子点的光学性能及其发光二极管应用

采用氢氟酸(HF)原位注入法制备了InP/GaP/ZnS量子点。通过紫外/可见/近红外光谱、光致发光光谱、透射电镜、球差校正透射电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱等测试手段分析了HF对InP量子点的发光性能影响。实验结果表明,HF刻蚀减少了量子点表面氧化缺陷状态,有效控制了InP核表面的氧化,并且原子配体形式的F-钝化了量子点表面的悬挂键,显著提升了量子点的光学性能。HF处理的InP/GaP/ZnS量子点具有最佳的发光性能,PLQY高达96%。此外,用HF处理InP/GaP/ZnS量子点制备的发光二极管,其发光的电流效率为6.63 cd/A,最佳外量子效率(EQE)为3.83%。

InP衬底上制备GaInAsP/GaInAs双结太阳电池的研究

基于InP衬底的GaInAsP/GaInAs太阳电池是制备五至六结叠层太阳电池必需的低带隙子电池。采用MOCVD制备了与InP衬底晶格匹配的Ga_(0.47)In_(0.53)As三元材料和Ga_(0.16)In_(0.84)As_(0.3)P_(0.7)四元材料,禁带宽度分别为0.77和1.11 eV,它们都具有较高的晶体质量。以此为有源层制备了GaInAsP/GaInAs双结叠层太阳电池,该双结太阳电池的开路电压为1.09V,光电转换效率为11.2%(AM0,25℃)。

MBE脱氧条件与InGaAs/InP APD性能的相关性

InP基InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)对近红外光具有高敏感度,使其成为微弱信号和单光子探测的理想光电器件。然而随着先进器件结构越来越复杂,厚度尺寸从量子点到几微米不等,性能越来越受材料中晶格缺陷的影响和工艺条件的制约。采用固态源分子束外延(MBE)技术分别在As和P气氛保护下对InP衬底进行脱氧处理并外延生长晶格匹配的In_(0.53)Ga_(0.47)As薄膜和APD结构材料。实验结果表明,As脱氧在MBE材料质量方面比P脱氧具有明显的优势,可获得陡直明锐的异质结界面,降低载流子浓度,提高霍尔迁移率,延长少子寿命,并抑制器件中点缺陷或杂质缺陷引起的暗电流。因此,As脱氧可以有效提高MBE材料的质量,这项工作优化了InP衬底InGaAs/InP外延生长参数和器件制造条件。

基于101.6 mm晶圆35 nm InP HEMT工艺的340 GHz低噪声放大器芯片研制

实现了在101.6 mm InP晶圆上制备35 nm的增强型InP高电子迁移率晶体管。通过InAs复合沟道外延结构设计,使得室温二维电子气迁移率面密度乘积达到4.2×10^(16)/(V·s)。采用了铂钛铂金埋栅工艺技术,典型器件最大跨导达到2900 mS/mm,电流增益截止频率达到460 GHz,最高振荡频率为720 GHz。同时研制出340 GHz低噪声放大器芯片,在310~350 GHz内小信号增益22~27 dB,噪声系数在8 dB以下。建立了340 GHz InP低噪声放大器芯片技术平台,为太赫兹低噪声单片微波集成电路的发展奠定基础。

γ辐照对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器性能的影响

对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器(SPADs)进行了总剂量为10 krad(Si)和20 krad(Si)的γ辐照,并进行了原位和移位测试。辐照后,暗电流和暗计数率有轻微的下降,而探测效率和后脉冲概率基本不变。经过一定时间的室温退火后,这些退化基本恢复,这表明瞬态电离损伤在γ辐照对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器的损伤中占主导地位。

电流增益截止频率为441 GHz的InGaAs/InAlAs InP HEMT

本文设计并制作了fT>400 GHz的In_(0.53)Ga_(0.47)As/In_(0.52)Al_(0.48)As铟磷高电子迁移率晶体管(InP HEMT)。采用窄栅槽技术优化了寄生电阻。器件栅长为54.4 nm,栅宽为2×50μm。最大漏极电流IDS.max为957 mA/mm,最大跨导gm.max为1265 mS/mm。即使在相对较小的VDS=0.7 V下,电流增益截止频率fT达到了441 GHz,最大振荡频率fmax达到了299 GHz。该器件可应用于太赫兹单片集成放大器和其他电路中。

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%。

基于InP HEMT的太赫兹分谐波混频器芯片设计

基于70 nm InP高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺,研制了一款175~205 GHz分谐波混频器太赫兹单片集成电路(TMIC)。使用三线耦合Marchand巴伦实现本振信号的平衡-不平衡转换。在射频端口设计了紧凑型耦合线结构的带通滤波器,实现对射频信号低损耗带通传输的同时缩小了芯片尺寸。测试结果表明混频器在175~205 GHz频率范围内,单边带(SSB)变频损耗小于15 dB,典型值14 dB。混频器中频频带为DC~25 GHz,射频端口对本振二次谐波信号的隔离度大于20 dB。芯片尺寸为1.40 mm×0.97 mm,能够与相同工艺的功率放大器、低噪声放大器实现片上集成,从而满足太赫兹通信等不同领域的应用需求。

低维InP材料的表征和生长机理研究

磷化铟作为一种重要的Ⅲ-Ⅴ半导体材料,由于其独特的光学和电学特性,近年来备受关注。大量的研究表明,它在光电子、催化、医学等领域具有潜在的应用前景。但目前在低维InP纳米材料的可控制备和大规模合成研究中还存在一些问题有待解决。针对上述问题,采用化学气相沉积法(CVD)在Si/SiO_(2)衬底上成功地制备了大量高质量的InP纳米线,并用原位生长法在多晶InP衬底上生长了大量的InP纳米柱。利用扫描电子显微镜(SEM)观察所制备的纳米材料的形貌,纳米线表面光滑,直径在30~65 nm之间,纳米线组成的薄膜厚度约为35μm;纳米柱直径分布为550~850 nm,纳米柱组成的薄膜厚度约为12μm。利用能量色散谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)分析了所制备的纳米材料的成分为InP。用拉曼光谱法测定了纳米材料的化学结构,并做了进一步的分析。透射电子显微镜(TEM)用于观察纳米材料的微观结构。研究发现,本研究制备的纳米线具有很高的结晶度,沿着[111]方向生长。使用选区电子衍射(SAED)分析纳米线晶体特性时发现了清晰的衍射点,表明其为单晶结构。使用光致发光光谱仪(PL)分析其发光特性,并进一步分析。最后,我们讨论了纳米线和纳米柱的形成机制,纳米线的生长遵循气-液-固(VLS)机制,纳米柱的生长遵循固-液-固(SLS)机制。这些研究为控制InP纳米材料的制备和大规模生产提供了更多可能性。

8寸CMP设备对小尺寸镀铜InP晶圆的工艺开发

为了实现在8寸化学机械抛光设备上进行小尺寸镀铜InP晶圆的减薄抛光工作,提高设备的兼容性,缩减工艺步骤,减少过多操作导致InP晶圆出现裂纹暗伤和表面颗粒增加等问题,自制特殊模具,使小尺寸InP晶圆在8寸化学机械抛光设备上进行加工,再根据InP晶圆易碎的缺陷问题,通过调整设备的抛光头压力、转速和抛光垫的转速等相关工艺参数,使其满足后续键合工艺的相关需求。实验结果表明:在使用特殊模具下,当抛光头的压力调整为20.684 kPa、抛光头与抛光垫的转速分别为:93 r/min和87 r/min时,InP晶圆的表面粗糙度达到:Ra≤1 nm;表面铜层的去除速率达到3857×10^(-10)/min;后续与8寸晶圆的键合避免键合位置出现空洞等缺陷,实现2寸InP晶圆在8寸设备上的CMP工艺,大大降低了CMP工艺成本,同时避免晶圆在转移过程中出现表面颗粒度增加和划伤的情况,实现了InP晶圆与Si晶圆的异质键合及Cu互连工艺。

InP中点缺陷迁移机制的第一性原理计算

磷化铟作为重要的第二代半导体材料,具有禁带宽度大、电子迁移率高、光电转换效率高、抗辐照性能强等优点,是制备航天器电子器件优良材料之一.但空间辐射粒子在磷化铟电子器件中会产生点缺陷,导致其电学性能发生严重下降.本文采用第一性原理方法对磷化铟中点缺陷的稳态结构进行研究,并计算了最近邻位点的缺陷迁移能.通过构建不同电荷态点缺陷的稳态结构,发现了4种稳态结构的铟间隙和3种稳态结构磷间隙.研究空位点缺陷的迁移过程,发现磷空位比铟空位迁移能高,同时带电空位点缺陷迁移能高于中性空位.对于间隙点缺陷迁移过程的研究发现,相较于空位点缺陷,间隙点缺陷迁移能更小.在不同电荷态的铟间隙迁移过程计算中,发现了两种不同的迁移过程.计算磷间隙的迁移过程,发现了特殊的中间态结构引起多路径迁移情况.研究结果有助于深入了解磷化铟材料中缺陷的形成机制和迁移行为,对于设计和制造空间环境中长期稳定运行的磷化铟器件有重要意义.

近地轨道质子和α粒子入射InP产生的位移损伤模拟

磷化铟(InP)材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、耐高温、抗辐照等优点,是制备航天器电子器件的优良材料.近地轨道内的质子和α粒子对近地卫星威胁巨大,其在InP电子器件中产生的位移损失效应是导致InP电子器件电学性能下降的主要因素.本文使用蒙特卡罗软件Geant4研究近地轨道的质子与α粒子分别经过150μm二氧化硅和2.54 mm铝层屏蔽后,在500/1000/5000μm InP材料中产生的非电离能量损失(non-ionizing energy loss,NIEL)、平均非电离损伤能随深度分布以及年总非电离损伤能.研究发现:低能质子射程短且较易发生非电离反应,入射粒子能谱中低能粒子占比越大,材料厚度越小,NIEL值越大;计算质子和α粒子年总非电离损伤能,质子的年总非电离损伤能占比达98%,表明质子是近地轨道内产生位移损伤的主要因素;α粒子年总非电离损伤能占比小,但其在InP中的NIEL约为质子的2-10倍,应关注α粒子在InP中产生的单粒子位移损伤效应.本文计算为InP材料在空间辐射环境的应用提供了参考依据.

基于70 nm InP HEMT工艺的230~250 GHz低噪声放大器设计

基于70 nm InP HEMT工艺,设计了一款五级共源放大级联结构230~250 GHz低噪声太赫兹单片集成电路(TMIC)。该放大器采用扇形线和微带线构成栅极和源极直流偏置网络,用以隔离射频信号和直流偏置信号;基于噪声匹配技术设计了放大器的第一级和第二级,基于功率匹配技术设计了中间两级,最后一级重点完成输出匹配。在片测试结果表明,230~250 GHz频率范围内,低噪声放大器的小信号增益大于20 dB。采用Y因子法对封装后的低噪声放大器模块完成了噪声测试,频率为243~248 GHz时该MMIC放大器噪声系数优于7.5 dB,与HBT和CMOS工艺相比,基于HEMT工艺的低噪声放大器具有3 dB以上的噪声系数优势。

微型化自由运行InGaAs/InP单光子探测器(特邀)

单光子探测器具有最高的光探测灵敏度,在激光雷达系统中使用单光子探测器可以极大提升系统的综合性能。近红外二区(1.0~1.7μm)激光具有大气透过率高、散射弱、太阳背景辐射弱等优势,是大气遥感、三维成像等激光雷达系统的理想工作波段。研制了一种基于InGaAs/InP负反馈雪崩光电二极管的微型化自由运行单光子探测器。该探测器长宽高为116 mm×107.5 mm×80 mm,在1.5μm最大探测效率超过35%,时间抖动(半高宽)低至80 ps。为满足激光雷达系统对光子飞行时间测量的需求,探测器内部集成时间数字转换(TDC)功能,时间精度100 ps。同时,探测器集成一套后脉冲修正及计数率修正算法,可以有效降低探测器所引起的雷达信号畸变。

面向量子点电致发光二极管的蓝光InP和ZnSe量子点研究现状

作为传统显示器强有力的竞争者之一,量子点发光二极管(QLED)在显示领域备受关注。然而,高性能蓝光QLED器件的发光材料中通常含有镉或铅,这两类重金属有毒元素对人体健康和生态环境不利,也阻碍了QLED器件的规模化商用进程。因此,高质量无镉无铅型蓝光量子点材料的研发成为推动新型显示产业发展的动力和业界迫切追求的目标。历经数十年发展,InP和ZnSe等无镉无铅量子点材料的蓝光发射性能已取得较大进步,随着合成策略及蓝光材料的进一步优化改进,环境友好型蓝光量子点发光二极管器件性能有望追上传统红、绿光量子点器件的步伐。本文分别从合成优化手段、表面包覆策略、核壳结构类型、发光性能参数等方面进行汇总,系统综述了当前无镉无铅型蓝光InP和ZnSe量子点材料的研究进展,指出了QLED蓝光材料未来的发展方向。

Zn扩散对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管雪崩击穿概率的影响

对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管进行结构设计与数值仿真,得到相应的电学与光学参数。针对雪崩击穿概率对器件光子探测效率的影响,研究了两次Zn扩散深度差、Zn扩散横向扩散因子、Zn掺杂浓度以及温度参数与器件雪崩击穿概率的关系。研究发现,当深扩散深度为2.3μm固定值时,浅扩散深度存在对应最佳目标值。浅扩散深度越深,相同过偏压条件下倍增区中心雪崩击穿概率越大,电场强度也会随之增加。当两次Zn扩散深度差小于0.6μm时,会发生倍增区外的非理想击穿,导致器件的暗计数增大。Zn扩散横向扩散因子越大,倍增区中心部分雪崩击穿概率越大,而倍增区边缘雪崩击穿概率会越小。在扩散深度不变的情况下,浅扩散Zn掺杂浓度对雪崩击穿概率无明显影响,但深扩散Zn掺杂浓度越高,相同过偏压条件下雪崩击穿概率越小。本文研究可为设计和研制高探测效率、低暗计数InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管提供参考。

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)。

晶圆级柔性高性能GaN HEMT及InP HBT器件

通过研究基于临时键合与解键合工艺的GaN、InP等材料无损剥离和晶圆级柔性集成等关键技术,提出了解决当前柔性化合物半导体器件普遍存在的转移后器件性能退化严重和大面积批量制造困难等问题的方案,制备出100 mm(4英寸)柔性GaN HEMT器件和75 mm(3英寸)InP HBT器件。其中,柔性GaN HEMT器件的饱和电流衰减仅为8.6%,柔性InP HBT器件的电流增益截止频率和最高振荡频率分别达到了358 GHz和530 GHz。表明采用本文介绍的柔性化方法制备的柔性电子器件在高频大功率等领域具有较好的应用前景。

基于InP DHBT工艺的33~170 GHz共源共栅放大器

基于500 nm磷化铟双异质结双极晶体管(InP DHBT)工艺,设计了一种工作在33~170 GHz频段的超宽带共源共栅功率放大器。输入端和输出端的平行短截线起到变换阻抗和拓展带宽的作用,输出端紧密相邻的耦合传输线补偿了一部分高频传输损耗。测试结果表明,该放大器的最大增益在115 GHz达到11.98 dB,相对带宽为134.98%,增益平坦度为±2 dB,工作频段内增益均好于10 dB,输出功率均好于1 dBm。

THz InP HEMT和HBT技术的最新研究进展

概述了太赫兹（THz）InP技术的优势、应用前景及美国的发展规划。重点对国外THzInP高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极晶体管（HBT）的技术进展和突破进行了详细阐述，其中国外HEMT和HBT器件的工作频率都达到了1THZ以上，国外报道的650GHz以上的InP太赫兹单片集成电路（TMIC）很多，包括低噪声放大器和功率放大器等，并且性能优异。介绍了我国THzInP技术的研究现状，国内InPHEMT和HBT器件的工作频率最高可达600GHz，电路的工作频率在300GHZ左右。最后，对国内外的最新技术水平进行了对比，并在对比的基础上针对存在的问题提出了我国在THzInP领域的发展建议。