面向聚变中子探测的宽禁带半导体探测器关键问题与研究挑战

近年来国际聚变反应研究获得重大进展,选择抗位移能力强的宽禁带半导体探测器是推动聚变研究的关键技术之一.金刚石超宽禁带半导体具备卓越抗辐照和时间响应等特性,是聚变诊断特别是高能中子诊断的理想材料,碳化硅宽禁带半导体也可测量中子,且大尺寸外延技术更成熟,可覆盖聚变研究装置上的大规模应用.通过这两种宽禁带半导体辐射探测器的研究并实现自主可控的高性能器件制备,将显著提高我国核聚变反应测量系统的性能,支持我国在未来的全球能源革命中处于领先优势.本文将对这两种宽禁带半导体探测器在聚变中子探测应用场景下研制的关键问题和研究挑战进行探讨,助力我国聚变能源开发和应用.

4H-SiC CMOS高温集成电路设计与制造

设计、制造并测试了基于碳化硅材料的横向MOSFET器件和CMOS电路。常温时,N型和P型MOSFET在片测试的阈值电压分别约为5.4 V和-6.3 V;温度达到300℃时,N型和P型MOSFET的阈值电压分别为4.3 V和-5.3 V。由N型和P型MOSFET组成的CMOS反相器在常温下输出的上升时间为1.44μs,下降时间为2.17μs,且在300℃高温条件下仍可正常工作。由CMOS反相器级联成的环形振荡器在常温下的测试工作频率为147 kHz,在高温下也可正常工作。

1200V沟槽型SiC MOSEET器件研制

碳作为宽禁带半导体材料的典型代表,碳化硅(SiC)功率器件具有高压,高频、高温,大容量等独特优势,在新能源汽车、光伏逆变、智能电网,雷达通信等领域有着乐观的应用前景。主流SiC MOSFET器件包括平面型和沟槽型,前者受限于较低的沟道迁移率和较大的元胞尺寸,难以充分发挥SiC器件的材料优势,后者将导电沟道由横向改为纵向,既明显改善了沟道迁移率,又大幅提升了沟道密度,使得器件导通电阻显著降低,代表着SiCMOSFET的未来发展方向。

AlGaN/GaN肖特基二极管阳极后退火界面态修复技术

AlGaN/GaN异质结构材料在较强自发极化和压电极化的作用下,会产生高面密度和高迁移率的二维电子气,保障了基于该异质结构的GaN肖特基二极管器件具有高输出电流密度和低导通电阻特性.阳极作为GaN肖特基二极管的核心结构,对器件的开启电压、反向漏电、导通电阻、击穿电压等核心参数具有重要影响.因此,制备低界面态密度肖特基结是实现高性能GaN肖特基二极管的前提.本文基于低功函数金属钨阳极AlGaN/GaN肖特基二极管结构,通过采用阳极后退火技术促进阳极金属与下方GaN材料反应成键,有效抑制了阳极金-半界面的界面态密度,经阳极后退火处理后,器件阳极界面态密度由9.48×10^(15)eV^(-1)·cm^(-2)降低至1.77×10^(13)eV^(-1)·cm^(-2).得益于良好的阳极低界面态特性,反向偏置下,阳极隧穿路径被大幅度抑制,器件反向漏电降低了2个数量级.另外,器件正向导通过程中,载流子受界面陷阱态影响的输运机制也被抑制,器件微分导通电阻从17.05Ω·mm降低至12.57Ω·mm.实验结果表明,阳极后退火技术可以有效抑制阳极金-半界面态密度,大幅度提高GaN肖特基二极管的器件特性,是制备高性能GaN肖特基二极管器件的核心关键技术.

金刚石二维电导和场效应管研究新进展

金刚石表面沟道场效应管以氢终端金刚石表面的二维空穴气2DHG(Two-Dimensional Hole Gas)作为沟道实现输入电压对输出电流的控制,是目前金刚石电子器件的主流结构.该2DHG面电导具有可大范围调控的面电荷密度和较高空穴饱和漂移速度.本文回顾了金刚石场效应管器件在直流、频率和功率特性的研究进展,揭示了低迁移率是制约金刚石低功耗高速数字电路、高频器件和高功率微波器件发展的主要因素.从理论和实验总结了金刚石表面电导出现的类调制掺杂的新掺杂机理,尤其实现了室温下2DHG霍尔迁移率提升到680 cm^(2)/Vs,材料方阻从10 kΩ/sq数量级降低到1.4 kΩ/sq电导性能的突破.相信这将会引起金刚石场效应管性能极大提升和器件的快速发展.

2.5 MHz谐振频率GaN基LLC谐振变换器设计

直流-直流变换器是航天二次电源的核心部件之一,体积小、重量轻、高功率的变换器是航天电源未来发展的趋势。提高变换器开关频率是缩减整机体积与重量、提升变换器性能的重要手段,所以,“高频化”是未来直流-直流变换器的重要发展趋势。使用GaN高电子迁移率晶体管作为开关器件,研究了在电路实现软开关的情况下,特定GaN器件对LLC谐振变换器可实现的最大工作频率的影响。研究发现,在保持软开关特性的情况下,GaN器件的输出电容越小,作为LLC谐振变换器的开关器件时可以使变换器实现的最高频率越大,但是GaN器件本身的损耗也会随之增加。针对损耗与高频的折衷关系,建立了精确的GaN器件损耗模型,为效率最优方案提供参考。并针对270 V输入、28 V输出、200 W额定功率的GaN基LLC谐振变换器做出了详细分析,通过使用GaN器件实现了2.5 MHz的高频变换器,整机功重比达到3.1 kW/kg,转换效率峰值为92.8%。原理样机验证了该设计方法可以实现更高频的LLC变换器,为未来制作高频变换器提供了设计参考。

离子注入诱导成核外延高质量AlN

超宽禁带AlN材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、直接带隙等优势,被广泛应用于光电子器件和电力电子器件等领域.AlN材料的质量影响着AlN基器件的性能,为此研究人员提出了多种方法来提高异质外延AlN晶体的质量,但是这些方法工艺复杂且成本高昂.因此,本文提出了诱导成核的新方法来获得高质量的AlN材料.首先,对纳米图案化的蓝宝石衬底注入不同剂量的N离子进行预处理,随后基于该衬底用金属有机化学气相沉积法外延AlN基板,并在其上生长多量子阱结构,最后基于此多量子阱结构制备紫外发光二极管.研究结果表明,在注入N离子剂量为1×10^(13) cm^(-2)的衬底上外延获得的AlN基板,其表面粗糙度最小且位错密度最低.由此可见,适当剂量的N离子注入促进了AlN异质外延过程中的横向生长与合并过程;这可能是因为N离子的注入,抑制了初期成核过程中形成的扭曲的镶嵌结构,有效地降低了AlN的螺位错以及刃位错密度.此外,基于该基板制备的多量子阱结构,其残余应力最小,光致发光强度提高到无注入样品的152%.此外,紫外发光二极管的光电性能大幅提高,当注入电流为100 mA时,光输出功率和电光转换效率分别提高了63.8%和61.7%.

金刚石SBD及RF-DC电路应用研究

采用微波等离子体化学气相沉积设备对单晶金刚石衬底进行氢等离子体处理,形成氢终端金刚石表面空穴电导,制备氢终端肖特基二极管。二极管采用金作为阴极金属,铝作为肖特基金属。接着通过金线键合技术制备了RF-DC电路。二极管表现出良好的整流特性,在正向电压为-5 V时,电流大小为1.13 mA。RF-DC电路采用了双金刚石肖特基二极管,确保信号输入的全周期都能保持工作。在10 MHz频段下,成功将射频电压信号由7 V的交流电转变成平均电压为1.97 V的直流电,转换效率为13.3%,与仿真结果一致。实验结果表明了金刚石肖特基二极管应用于RF-DC电路的可行性。

金刚石硼掺杂准垂直肖特基二极管特性研究

金刚石是超宽禁带半导体材料的典型代表,因其优异的材料特性,在高温、高频、大功率微波和电力电子器件应用中有着显著的优势。金刚石体掺杂p型二极管由于工艺简单、并且有望发挥出金刚石击穿场强高的特性。采用微波等离子体化学气相沉积设备实现了单晶金刚石外延过程中硼掺杂浓度的调控,在金刚石本征衬底上制备出p^(-)/p^(+)结构的金刚石外延层,掺杂浓度分别为1018 cm^(-3)和1020 cm^(-3)。进而采用该结构制备了金刚石准垂直结构的肖特基二极管器件。测试结果表明,器件正向导通电阻为90 mΩ·cm^(2),开启电压约为-1.68 V,反向击穿场强为2.4 MV/cm,归一化后的电流密度为53.05 A/cm^(2)。计算得该器件中漂移层的载流子浓度为1.16×10^(18)cm^(-3)。

Si衬底上基于诱导成核技术的高质量GaN外延

氮化镓(GaN)具有直接带隙、高频、大功率和高电子迁移率等优良的材料特性,使其在电力电子和光电器件等领域都具有广阔的应用前景.Si衬底具备大尺寸、低成本和工艺兼容性好等优势,所以Si基GaN具有很高的研究价值和商业价值.GaN材料的晶体质量决定着GaN基器件的性能,但Si基GaN的晶体质量较差,为此研究人员提出了多种方法来提高GaN的晶体质量,但都存在工艺复杂或成本高昂等问题.因此,本研究提出一种工艺简单且成本低的诱导成核技术来获取高质量的Si基GaN材料.对Si衬底完成相同剂量的N离子注入后进行不同时间的快速热退火处理,使用金属有机化学气相沉积法进行外延生长.结果表明,退火时间为6 min的样品具有最好的晶体质量,表面形貌和光学性能,与对照样品相比,螺位错密度降低14.7%,刃位错密度降低34.4%,总位错密度降低26.1%,并且提高了AlGaN/GaN异质结界面处的二维电子气面密度和电子迁移率,提高了AlGaN/GaN异质结的电学性能.