介尺度设计功能新材料研究进展

随着材料多尺度问题的认识与提高,新材料设计的构效关系已经远远超越了结构-性能关联,而是往更加本质的体系自由度及其耦合机制方向深入拓展。新材料设计需要从材料的量子本质明确其性质来源。介尺度结构的动态演变过程表现出了丰富的量子效应,同时材料中的电荷、自旋、轨道、晶格、缺陷、掺杂等自由度及其耦合是材料丰富功能的本质起源。基于介尺度动态结构演变的思想,建立从“分立结构”到“动态结构”到“多尺度多层次结构”的新材料设计思路,基于多自由度耦合范式建立多自由度耦合、解耦的模型,定性、定量、定位地表达各种相互作用对功能材料性质的贡献,是实现功能新材料量子设计的有效途径。重点论述了介尺度设计功能新材料的最新研究进展,特别集中于团簇、量子点、量子材料、稀土基材料等介尺度调控及其特殊性能。

高可靠性无铝有源层808 nm半导体激光器泵浦源

针对高功率808 nm激光器泵浦源的应用需求,设计并制备了InGaAsP/GaInP材料体系的无铝有源区半导体激光器。使用双非对称的限制层及波导层结构,降低了P侧材料的热阻及光吸收。优化了金属有机化学气相沉积(MOCVD)中As和P混合材料的生长条件,制备出界面陡峭的四元InGaAsP单晶外延薄膜。制作的激光器室温测试阈值电流为1.5 A,斜率效率为1.26 W/A,10 A下的功率达到10.5 W,功率转换效率为58%。连续电流测试最大功率为23 W@24.5 A,准连续电流测试最大功率为54 W@50 A,没有产生灾变性光学损伤(COD)。在15 A电流加速老化下,激光器工作4200 h未出现功率衰减及COD现象,说明制备的无铝有源区808 nm激光器具有高可靠性的输出性能。

多尺度晶体材料的原位表征技术与计算模拟研究进展

大尺寸晶体材料是半导体、激光、通讯等领域的基础原料,大尺寸、高品质晶体材料的制备已成为制约相关行业发展的瓶颈。我国面临的“卡脖子”技术中大多与关键基础材料相关。大尺寸晶体材料制备理论与技术是我国新材料产业高质量发展的一个重要方面,也是提升相应高技术产业的基础,突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术是获得高品质大尺寸晶体材料的关键。探究并准确理解大尺寸晶体生长机理需要借助原位表征技术和多尺度计算模拟方法。单一的原位表征和模拟技术只能探究特定时间和空间范围内的结晶信息,为了准确反映结晶过程需要综合应用多种方法。本文综述了最新的多尺度晶体生长研究的原位表征方法、多尺度计算模拟技术以及机器学习方法,为发展结晶理论和控制晶体品质提供重要的实验和理论依据,并将为提升大尺寸晶体生长工艺的开发而服务。

稀土离子掺杂钙钛矿纳米材料的光学性质及光电应用研究

金属卤化物钙钛矿材料具备可调的可见光谱区带隙、良好的载流子传输性能、长的电荷扩散长度、弱激子结合能、高吸收系数、高光电转化效率、高缺陷容忍度、良好的催化性能和简单的制备工艺等一系列独特的理化性质,使其在多种新兴光电技术领域备受关注。稀土离子具有丰富的4f能级跃迁效应,有望促使钙钛矿纳米材料的吸收、激发和发射,从而表现出范围宽且内涵丰富的量子行为和光电特性。面向实际光电应用的需求,稀土离子掺杂的钙钛矿纳米材料能够显著提升钙钛矿纳米材料的光电性质,解决钙钛矿纳米材料难以直接在近红外光区的应用,改善环境稳定性和含铅毒性的不足。总结了稀土离子掺杂钙钛矿纳米材料的结构性质、制备工艺、光学性质、稳定性及在光电领域应用的研究进展,并对其在新型光电技术领域的发展前景进行了展望。

稀土倍半氧化物晶体材料研究进展

稀土倍半氧化物晶体是一类非常适合用于超快激光增益介质、磁光介质的材料,人们对其研究始于20世纪20年代,其由于具有高热导率、宽荧光光谱、低声子能量等优点,至今仍然是先进材料领域的研究热点。“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”位列2021年中国科协发布的十大前沿科学问题之首,这也明确了提高大尺寸晶体材料的制备技术是晶体商业应用的关键。材料的结晶本征属性及其晶体质量是多尺度水平上体系不同自由度相互耦合的结果,因此,开发高品质的稀土倍半氧化物材料需要从多尺度水平上研究体系中稀土离子键合、熔体结构演化、晶体生长等多层次多因素问题。本文聚焦在微观尺度上稀土离子电负性的强弱对熔体中阳离子配位数的影响、熔体结构的实验与模拟计算研究以及晶体生长等方面的最新进展。稀土倍半氧化物熔点高(≥2400℃),限制了铱坩埚以及大多数熔体法生长技术的使用,导致英寸级稀土倍半氧化物晶体开发缓慢。采用助溶剂法、热交换法以及设计低熔点组分是制备大尺寸高质量稀土倍半氧化物晶体的研发重点。为了推动稀土倍半氧化物的商业化应用,揭示稀土离子配位结构、熔体结构演化、生长过程中的缺陷形成机制,开发大尺寸晶体生长技术是目前需要亟待解决的关键科学挑战和技术瓶颈。

SiC激光退火欧姆接触模拟分析及实验研究

实现高可靠性、低电阻欧姆接触是获得高性能SiC功率半导体器件的前提,其直接决定功率器件的能耗水平。激光退火凭借局域化、温升快、控制灵活、精度高、连续能量输出稳定等优点,成为SiC功率器件的新一代主流退火技术。总结了近年来国内外SiC功率器件激光退火研究进展,详细模拟分析了激光退火原理中光热传输特性,设计了355 nm紫外激光退火实验系统,对Ni/SiC进行了激光退火实验,在激光能量密度为2.55 J/cm^(2)条件下,比接触电阻为9.49×10^(-5)Ω·cm^(2)。研究结果对SiC功率器件激光退火欧姆接触性能提升提供了理论和数据支撑。

单晶金刚石声子非简谐衰减效应研究

随着金刚石作为散热材料在大功率半导体器件、激光器、微波器件和大规模集成电路等领域中的应用愈加广泛,通过对金刚石局部进行精确测温以评价其散热性能是一个重要的研究课题。本文使用拉曼光谱仪对不同掺杂类型的高温高压(HTHP)样品和化学气相沉积(CVD)样品在228~678 K进行检测,得到了金刚石样品TO模拉曼峰位、半峰全宽等与温度的一一对应关系,并通过理论计算模型明确了热膨胀、三声子、四声子随温度变化对拉曼峰位、半峰全宽的贡献。理论和实验测试结果发现:不同掺杂以及不同类型样品的拉曼光谱峰位无明显区别;随温度升高,半峰全宽宽化,主要影响因素为声子衰减导致的非简谐效应,同时受载流子的电离率、浓度、类型,以及缺陷和杂质影响;声子寿命主要受到声子的非简谐衰减作用影响,基本不受杂质散射的影响。本研究为金刚石材料的温度检测提供了一种无损、非接触、高空间分辨率的方法。

Ni掺杂β-Ga_(2)O_(3)单晶的光、电特性研究

本文使用导模(EFG)法生长了Ni掺杂β-Ga_(2)O_(3)单晶,并通过粉末X射线衍射(PXRD)和劳厄衍射(Laue diffraction)分别验证了其晶体结构和晶体质量。进一步通过紫外-可见-近红外透过光谱及红外透过光谱研究了Ni^(2+)掺杂对β-Ga_(2)O_(3)光学特性的影响,发现其(100)面的紫外截止边为252.9 nm,对应的光学带隙为4.74 eV。此外,阴极荧光(CL)光谱测试结果显示,Ni^(2+)掺杂β-Ga_(2)O_(3)单晶在600~800 nm具有宽带近红外发光特性,有望拓宽β-Ga_(2)O_(3)单晶材料在宽带近红外方面的应用。

斜切角对β-Ga_(2)O_(3)(100)面衬底加工的影响研究

本文研究了斜切角的引入对β-Ga_(2)O_(3)(100)面衬底加工的影响,分析了斜切角分别为0°、1°、6°时,(100)面衬底在加工过程中的形貌变化及不同抛光参数对衬底抛光的影响。实验结果表明,随着斜切角的增大,(100)面衬底在加工过程中的解理损伤问题得以改善,加工后表面粗糙度降低,材料去除方式出现了脆性去除-脆塑性混合去除-塑性去除的转变。较小的抛光压力可以有效减少解理损伤,改善表面质量。斜切角为6°时的(100)面衬底抛光效率高,抛光后表面粗糙度可达到Ra≤0.2 nm。

原料颗粒度对AlN晶体生长的影响

本文通过对氮化铝(AlN)粉末进行烧结,制备了AlN晶体生长用的多晶颗粒料,测试发现,与粉末原料相比,多晶颗粒料的杂质显著降低。利用数值模拟软件研究了不同原料孔隙率对晶体生长的影响,分析了相同晶体生长工艺条件下原料内部温场的分布情况。使用不同颗粒度的原料进行了AlN晶体生长,发现最适合AlN晶体生长的温度梯度和原料颗粒度。最后用颗粒度为1~3 mm的多晶颗粒料进行晶体生长,生长出直径为1英寸、厚度为15 mm的AlN晶体。对晶体进行切割、研磨、抛光,得到1英寸AlN晶片。采用高分辨率X射线衍射(HRXRD)和拉曼光谱对晶片进行表征。结果发现HRXRD摇摆曲线半峰全宽(FWHM)为154.66″,E_(2)(high)声子模的峰位置和FWHM分别为656.7和4.3 cm^(-1),表明该AlN晶体结晶质量良好。

大功率808 nm分布反馈激光器阵列研制

为了提高808 nm大功率半导体激光器阵列的波长稳定性,提出了带有二阶布拉格光栅的大功率宽条型808 nm分布反馈激光器阵列。相比于传统的一阶布拉格光栅,其可以显著抑制简并纵模的产生,提高器件的波长锁定范围。借助于金属有机化学气相沉积、全息光刻、干法刻蚀以及湿法腐蚀等工艺,完成了器件的制备,并且在准连续条件(200 A、200μs、20 Hz)下,对所制备的激光器阵列进行了不同温度下的性能测试。测试结果表明:器件峰值输出功率可达到190 W,光电转换效率超过55%,光谱半高宽为0.6 nm,温漂系数为0.06 nm/K,波长锁定范围达到125℃(-35~90℃)。另外,对其进行了老化考评,结果显示,老化2 000 h后峰值功率衰减小于4%。

晶格畸变检测仪研究碳化硅晶片中位错缺陷分布

利用晶格畸变检测仪研究了SiC晶片位错分布情况,通过对熔融KOH腐蚀后的SiC晶片进行全片或局部扫描,从而得到完整SiC晶片或局部区域的位错分布。与LEXT OLS40003D激光共聚焦显微镜扫描腐蚀图进行比较,晶格畸变检测仪扫描腐蚀图可以将晶片上位错腐蚀坑信息完全呈现出来,且根据腐蚀坑呈现的颜色及尺寸大小,可以分辨出三种不同类型的穿透型位错,其中黑点腐蚀坑对应螺位错,小尺寸白点腐蚀坑对应刃位错,大尺寸白点腐蚀坑对应混合型位错。采用晶格畸变测试仪研究了4英寸(101.6 mm)N型4H-SiC晶体不同生长时期的位错密度及分布情况,结果表明随着晶体生长,位错密度呈现逐渐降低的趋势,生长后期晶片的总位错密度降为生长前期晶片总位错密度的近1/3,有利于反馈位错缺陷在SiC晶体生长过程中的延伸和转化特性信息,以指导SiC晶体生长工艺改进。

大尺寸晶体快速生长理论与技术的研究进展

“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”是中国科协发布的2021年度的十大前沿科学问题之一,揭示晶体生长机制和突破生长关键技术是大尺寸功能晶体发展的两个趋势。在原子分子尺度上,晶体生长可以是有势垒的热激活过程,也可以是无势垒的超快结晶过程,这与具体的体系以及晶面有关。从界面属性角度来看,光滑界面是以台阶拓展的方式生长;粗糙界面没有明显的固-液分层,通过局部原子固化进行生长。本文从晶体生长理论模型、生长技术及其应用实例,以及分子动力学方法在晶体生长中的应用等方面探讨了近些年大尺寸晶体快速生长理论和技术的研究进展。目前有多种方法制备大尺寸晶体,但普遍存在制备的晶体质量差和性能不稳定等问题。需要突破对晶体生长微观机制上的认识,建立机制与温度、流速等外界因素的内在联系。而利用机器学习力场以及分子动力学模拟方法,建立固-液界面,模拟晶体生长,将是探究晶体生长微观机制的一种有效方式。

碳化硅单晶位错研究进展

SiC作为代表性的第三代半导体材料,具有优异的物理化学性能。随着材料及应用的发展,SiC衬底在航天电源、电动汽车、智能电网、轨道交通、工业电机等领域的应用日益重要。相比第一代半导体材料如Si和第二代半导体材料如GaAs而言,SiC衬底质量还有很大的改善空间,是现阶段研发和产业的热点。其中SiC单晶缺陷,特别是一维位错缺陷的检测和降低,是近10年内重要的研究内容。本文重点对SiC中位错的形成原因、位错检测技术、位错密度降低方法及近年来SiC单晶中位错的优化水平进行总结归纳,并提出了SiC需要继续突破和发展的方向。

砷化镓光导开关的损伤形貌研究

制作了同面型砷化镓光导开关,并测试了其导通性能。在偏置电压8 kV、激光能量10 mJ、重复频率10 Hz的条件下,研究了光导开关触发104次后器件表面的损伤形貌。利用激光扫描共聚焦显微镜,对电极边缘及电极间的损伤形貌进行分析,研究发现阳极边缘由于热积累形成热损伤,而阴极边缘的热损伤来源于热应力,并对电极间损伤形貌进行细致表征及分类。

高温高压与CVD金刚石单晶衬底质量对比研究

本文通过高分辨X射线衍射(HRXRD)、激光拉曼光谱(Raman)、晶格畸变检测等测试分析方法对多组高温高压(HTHP)Ⅰb、HTHPⅡa和化学气相沉积(CVD)型(100)面金刚石单晶样品进行对比研究。HRXRD和Raman的检测结果均表明HTHPⅡa型金刚石单晶的结晶质量接近天然金刚石,其XRD摇摆曲线半峰全宽和Raman半峰全宽分别为0.015°~0.018°和1.45~1.85 cm^(-1)。晶格畸变检测仪的检测结果表明,HTHPⅡa型金刚石单晶的应力分布主要有两种:一种几乎无明显应力分布,另一种沿<110>方向呈对称的放射状分布,其他区域无晶格畸变。HTHPⅠb和CVD型金刚石单晶应力分布均相对分散,晶格畸变复杂,与其HRXRD和Raman的检测结果相符。进一步利用等离子体刻蚀法对三种类型金刚石单晶(100)面位错缺陷进行对比分析,结果表明,HTHPⅡa型金刚石位错密度为三者中最低,仅为1×10^(3) cm^(-2)。本研究为制备高质量大尺寸CVD金刚石单晶的衬底选择提供了实验依据。

GaN单晶的HVPE生长与掺杂进展

相比于第一代和第二代半导体材料,第三代半导体材料具有更高的击穿场强、电子饱和速率、热导率以及更宽的带隙,更适用于制备高频、大功率、抗辐射、耐腐蚀的电子器件、光电子器件和发光器件。氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表之一,是制作蓝绿激光、射频微波器件和电力电子器件的理想衬底材料,在激光显示、5G通信、相控阵雷达、航空航天等领域具有广阔的应用前景。氢化物气相外延(Hydride vapor phase epitaxy,HVPE)方法因生长设备简单、生长条件温和和生长速度快而成为制备GaN晶体的主流方法。由于普遍使用石英反应器,HVPE法生长获得的非故意掺杂GaN不可避免地存在施主型杂质Si和O,使其表现出n型半导体特性,但载流子浓度高和电导率低限制了其在高频大功率器件中的应用。掺杂是改善半导体材料电学性能最普遍的方法,通过掺杂不同掺杂剂可以获得不同类型的GaN单晶衬底,提高其电化学特性,从而满足市场应用的不同需求。本文介绍了GaN半导体晶体材料的基本结构和性质,综述了近年来采用HVPE法生长高质量GaN晶体的主要研究进展;对GaN的掺杂特性、掺杂剂类型、生长工艺以及掺杂原子对电学性能的影响进行了详细介绍。最后简述了HVPE法生长掺杂GaN单晶面临的挑战和机遇,并展望了GaN单晶的未来发展前景。

均一粒径硅溶胶的可控合成及其在化学机械精抛光中的应用

随着大规模集成电路制程日益复杂,对化学机械精抛光材料的要求也越来越高。目前,用于高端芯片平整化所需化学机械精抛光液的合成仍存在一些技术难点。本文通过对传统的溶胶凝胶法进行改进,在不添加稳定剂的条件下规模合成粒径小(10~50nm)、均一且稳定性好的硅溶胶。该硅溶胶作为磨料用于硅片的化学机械精抛光(CMP),研究了双氧水浓度对硅片表面去除速率(MRR)和表面粗糙度(Ra)的影响。当双氧水质量分数为5%时,硅片表面粗糙度为0.1nm,可实现单晶硅片的精密加工。

侧面脉冲泵浦Nd:YAG同步声光调Q激光器

报道了脉冲半导体激光器侧面泵浦Nd:YAG同步声光调Q纳秒激光器。采用连续输出50 W的Nd:YAG侧面泵浦模块,当半导体激光器泵浦脉宽250μm、重复频率1 kHz、声光Q开关延时270μm时,实现了平均输出功率2.27 W、脉冲宽度71 ns的稳定调Q脉冲输出。

铌酸锂晶体铁电畴调控及器件应用研究进展

铌酸锂是一种多功能晶体,具有压电、铁电、热释电、电光、声光、光弹、非线性等物理性质。随着铌酸锂铁电畴工程的不断进步和铌酸锂单晶薄膜技术的发展,铌酸锂的诸多优异性能已被开发出来,广泛应用于光波导、电光调制器、非线性光学、量子器件等领域,未来在光子学方面的广泛应用可能形成“铌酸锂谷”时代。着重介绍了铌酸锂的畴反转方法、生长机制、畴结构表征手段、铁电畴工程的应用,以及铌酸锂薄膜器件如光波导、电光器件、量子器件的最新研究进展。伴随着铌酸锂从“体块”走向“薄膜”,结合微加工技术使铌酸锂的应用领域从独立器件向小型多器件集成芯片转变,铌酸锂铁电畴工程在构建小型全集成芯片过程中将具有更重要的作用。