飞秒激光抛光6H碳化硅硅面实验研究

6H碳化硅(6H-SiC)作为目前应用最广的第三代半导体材料,其加工制造过程面临工艺步骤繁琐、研磨后表面质量缺陷严重等难题。本研究提出采用飞秒激光方法直接抛光SiC切割片,考察了激光重复频率、扫描间距、脉冲能量、扫描速度、离焦距离等工艺参数对抛光后SiC表面质量的影响。结合扫描电镜(SEM)、能量色散X射线光谱仪(EDX)、激光共聚焦显微镜对抛光后表面形貌、结构、成分等表征,分析了表面质量的影响因素。研究发现在激光重复频率为15 kHz、扫描间距15 μm、脉冲能量89.3 μJ、扫描速度118 mm/s、离焦 + 1 mm抛光后6H-SiC硅面表面粗糙度(Ra)由0.457 μm降低至0.116 μm,表面起伏(Depth)由3.8 μm降低至0.77 μm。本研究对于优化6H-SiC硅面制造工艺,提高加工效率具有较大的参考价值。

LED蓝宝石衬底抛光表面原子台阶形貌及其周期性研究

LED蓝宝石衬底的表面质量会极大影响到后续外延质量,进而影响到LED器件性能。蓝宝石研磨片经Al2O3磨粒粗抛液、SiO2磨粒精抛液下进行化学机械抛光(CMP),最终表面经原子力显微镜(AFM)所测表面粗糙度达到0.101nm,获得亚纳米级粗糙度超光滑表面,并呈现出原子台阶形貌。同时,通过使用Zygo表面形貌仪、AFM观察蓝宝石从研磨片经Al2O3粗抛液、SiO2精抛液抛光后的表面变化,阐述蓝宝石表面原子台阶形貌的形成原因,提出蓝宝石原子级超光滑表面形成的CMP去除机理。通过控制蓝宝石抛光中的工艺条件,获得a-a型、a-b型两种不同周期规律性的台阶形貌表面,并探讨不同周期规律性台阶形貌的形成机理。

基于在线差分进化算法的平面开关磁阻电机约束预测位置控制

模型预测控制方法在解决平面开关磁阻电机非线性、不确定干扰、约束等问题具有突出的优势,有望实现平面开关磁阻电机的高精度约束最优控制,目前平面开关磁阻电机约束预测控制亟需解决在线计算量大、内存大的问题。为快速、精确地求解平面开关磁阻电机约束预测控制在线优化问题,并获得小内存控制器,提出基于在线差分进化算法的约束预测位置控制方法。基于电机的多步预测位置模型,建立考虑输入约束的电机预测位置控制器,采用设计的差分进化算法在线求解最优控制量,构建具有摩擦补偿的电机约束预测位置控制系统。为提高差分进化算法的收敛速度并获得更优解,采用缩小种群范围、生成分区种群个体以及优化初始种群的操作产生初始种群,利用优化的变异因子和交叉因子对种群个体进行变异和交叉操作,将预测控制的代价函数作为适应度函数对种群个体进行选择操作。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

紫外LED辅助的4H-SiC化学机械抛光

在4H-SiC晶片的化学机械抛光(CMP)体系中加入紫外LED系统,研究TiO_2颗粒、紫外LED光功率、抛光温度和抛光液pH值对4H-SiC晶片抛光性能的影响规律,以获得较高的材料去除速率(MRR)和原子级光滑表面,满足LED器件对衬底材料表面的严格要求.结果表明,采用平均粒径25 nm、质量分数为2%的TiO_2颗粒,可显著提高MRR,且减少微划痕等表面缺陷;增大紫外LED功率,MRR随之增大;升高抛光温度,MRR快速提高,并可降低抛光所得表面粗糙度;在CMP体系中加入紫外体系可增加羟基自由基数量,抛光液pH值较低(2.2)也可维持较高MRR值,且抛光液pH值超过10时MRR值大幅提高.采用原子力显微镜(AFM)、光学显微镜来考察4H-SiC晶片抛光后的表面质量.基于各因素的影响规律,最终获得表面粗糙度为0.058 6 nm的4H-SiC晶片表面,且MRR达到352.8 nm/h.

12 W高功率高可靠性915 nm半导体激光器设计与制作

本文设计并制作了一种高效率、高可靠性的915 nm半导体激光器。半导体激光器是光纤激光器的关键部件,为了最大限度地提高器件的电光转换效率,在设计上采用双非对称大光腔波导结构,同时对量子阱结构、波导结构、掺杂以及器件结构进行了系统优化。器件模拟表明,在25℃环境温度下,器件的最高电光转换效率达到67%。采用金属有机气相沉积(MOCVD)法进行材料生长,随后制备了发光区域宽度为95μm、腔长为4.8 mm的激光芯片。测试表明,封装后器件的效率以及其它参数指标达到国际先进水平,在室温下阈值电流为1 A,斜率效率为1.18 W/A,最高电光转换效率达66.5%,输出功率12 W时,电光转换效率达到64.3%,测试结果与器件理论模拟高度吻合。经过约6 000 h的寿命加速测试,器件功率没有出现衰减,表明制作的高功率915 nm激光芯片具有很高的可靠性。

基于数据驱动的永磁同步直线电机阻尼系数解算方法

针对永磁同步直线电机难以直接测量其阻尼系数的问题,论文提出一种基于数据驱动的永磁同步直线电机阻尼系数解算方法。建立了以电流为输入、位置为输出的永磁同步直线电机的连续传递函数模型,分别利用阶跃响应不变法和双线性变换方法对连续传递函数进行离散化,得到离散传递函数的参数与阻尼系数、运动平台质量及采样时间的数学关系,基于该数学关系推导得到阻尼系数解算模型,采用递推最小二乘法对得到的两种离散传递函数进行参数辨识,通过辨识的参数并结合阻尼系数解算模型,计算得到永磁同步直线电机的阻尼系数,并对所提出的方法进行了实验研究。实验结果验证了所提出方法的有效性。

电喷雾/光电离双源型小型离子阱质谱仪的研制

构建了一套电喷雾/紫外灯双电离源离子阱质谱仪系统,用于气体和液体样品的快速检测。仪器采用非连续大气压进样技术,通过夹管阀装置来同时完成电喷雾离子和中性气态样品的采集和传输。所配备的两种电离源适合不同的分析对象,在应用上具有一定的互补性,其中电喷雾源用于溶液中极性化合物的电离,而紫外电离源主要用于分析气态有机物。本研究选择了苯甲醚、甲苯、2,4-二甲基苯胺、精氨酸、利血平和阿斯巴甜等不同类型的样品,测试了仪器在使用不同电离模式下的工作性能。结果表明,电喷雾源和紫外光电离源可用于不同类型样品的电离,在分析2,4-二甲基苯胺时还能分别生成不同类型的分子离子。两种电离源在工作时互不干扰,既能单独使用,也能同时开启,可根据检测需求随意切换工作模式,获得更全面的样品成分信息。双离子源设计是扩展小型质谱仪应用范围的一种有效途径,这种方案不会明显增加仪器的体积,却能提供更多样化的分析功能,满足对不同类型样品的检测需求。

基于自适应遗传算法的LED器件多应力条件下寿命快速评估系统模型

发光二极管(light-emittingdiode,LED)作为正在兴起的固态冷光源具有效率高、寿命长、体积小、响应快、抗振、驱动电压低、绿色环保等特点,在照明光源、仪表指示等领域显示出较大的发展潜力.针对LED器件寿命在实际使用环境中应力影响因素复杂、加速寿命试验模型考虑的应力因素不全面以及LED器件寿命预测模型准确性低等问题,本文提出了一种LED器件多应力条件下寿命快速评估系统模型.该模型适用于各种工艺制造的不同结构的LED器件.以光效衰减30%为寿命依据,以环境温度、湿度和驱动电流为输入量、LED器件寿命为输出量,采用设计的自适应遗传算法确定被测器件的辨识参数.利用构建的加速寿命试验获得较高温度湿度电流应力下的少量样本数据,基于得到的样本数据辨识该模型的未知参数,获得了模型.在常温常湿常电流应力下,通过该模型进行了LED器件寿命预测.研究结果表明:在任意温度湿度电流应力下,提出的模型可以快速较精确地实现LED器件寿命预测;在常温常湿常电流应力下,基于提出的模型得到的LED器件寿命接近于LED行业平均技术水平的LED预期寿命;提出的模型应用于LED器件寿命可靠性测评具有实用性,并可继续拓展成为纳入更多应力的模型.

高性能976 nm宽条半导体激光芯片

设计并制作了波长为976nm的宽条大功率半导体激光芯片。采用非对称宽波导外延结构设计及金属有机化学气相外延技术生长了低损耗、高效率的外延材料。制备了190μm发光区宽度、4mm腔长、976nm波长的半导体激光芯片,并将其封装为COS器件。测试结果表明:封装器件在室温下的阈值电流为1.05 A,斜率效率为1.12 W/A,最高电光转换效率可达到68.5%;在40℃、19.5 W功率输出时的电光转换效率可以达到60%;9个器件在40℃和15A电流下老化4740h后,无一失效,而且老化前后的功率-电流曲线和光谱没有变化,证明该激光芯片具极高的稳定性和可靠性。