碳化硅单晶生长方面取得重大进展

近日 ,中科院物理所陈小龙研究员领导的科研小组在碳化硅 (SiC)晶体生长方面取得了重大进展。他们在自行研制的高温生长炉上 ,解决了物理气相传输法中生长SiC晶体的一些关键物理化学问题 ,成功地生长出了直径为 2英寸的SiC晶体 ,其X -射线衍射摇摆曲线达到 2弧分 ,微管密度已少于 10 0个 /cm2 (10× 10mm2 样品 ) ,这些表征SiC晶体质量的重要参数指标超过了目前Cree公司的部分商品的指标 ,为SiC单晶的国产化奠定了基础。以碳化硅 (SiC)及GaN为代表的宽禁带材料 ,是继Si和GaAs之后的第三代半导体。与Si相比 ,SiC具有宽禁带 (Si的 2…     

PVT法碳化硅单晶生长系统的热场模拟

为了分析物理气相传输法碳化硅单晶生长系统中的温度分布,采用Matlab软件对PVT工艺中的热场进行了模拟。以能量方程为基础分析了由传导和辐射这两种传热方式所决定的系统的热量分配;采用有限元素法对所建立的描述连续函数的偏微分方程进行数值化离散;应用迦辽金加权残值法对由近似函数表征的离散方程转化为矩阵方程的形式;设计了平均算法计算出了系统的温度分布。更好地了解了碳化硅晶体生长过程的物理实质,以便更有效地改进生长系统,优化工艺参数。     

碳化硅单晶切割技术研究

碳化硅单晶材料是第三代宽禁带半导体材料的代表,对电子产业的发展起到强有力的支撑。晶片加工技术是器件生产的重要基础和基本保证,任何具有优异特性的材料只有在成功有效的加工技术下才能发挥实际效能。本文介绍了切割工艺,通过工艺实验及对实验结果的分析,确定了切割工艺参数。     

物理气相传输法生长大尺寸AlN晶体及其性质表征

利用物理气相传输法生长了直径40～50 mm、厚约8～10 mm的AlN多晶锭,最大晶粒尺寸为5 mm.用喇曼散射和阴极荧光谱研究了AlN晶体的结晶质量、缺陷和结构特性.分析了不同温度下AlN晶体的导电特性,并确定在AlN晶体中存在一个激活能约为0.98eV的深能级缺陷.结合这些结果分析了PVT法生长条件对AlN体单晶生长和晶体质量的影响.     

物理气相传输法生长大尺寸AlN晶体及其性质表征

利用物理气相传输法生长了直径40～50 mm、厚约8～10 mm的AlN多晶锭,最大晶粒尺寸为5 mm.用喇曼散射和阴极荧光谱研究了AlN晶体的结晶质量、缺陷和结构特性.分析了不同温度下AlN晶体的导电特性,并确定在AlN晶体中存在一个激活能约为0.98eV的深能级缺陷.结合这些结果分析了PVT法生长条件对AlN体单晶生长和晶体质量的影响.     

碳化硅单晶衬底超精密抛光关键技术研究

就目前而言,碳化硅抛光方法依旧存在损伤大、效率低、有污染等问题,因此研发一种高精高效单晶碳化硅表面抛光技术极为重要。文章提出光催化辅助化学机械抛光与机械研磨组合的工艺技术,获得表面粗糙度约为0.47nm,基本能够满足超光滑、低损伤且高效的抛光要求。     

大尺寸HVPE反应室生长GaN的数值模拟

利用有限元法对单片6英寸(1英寸=2.54 cm)GaN衬底用氢化物气相外延(HVPE)生长系统的工艺参数进行了数值模拟和优化.通过建立反应室二维几何模型,依次改变HVPE系统中的GaCl,NH3和分隔气(N2)流速等主要参数进行数值模拟,研究分析了反应室内各反应物的浓度分布和衬底上GaN的生长速率变化,同时考虑了涡旋分布以及GaCl出口管壁上寄生沉积等对衬底上GaN生长的影响,并给出了HVPE系统高速率均匀生长GaN的优化参数.模拟分析还表明,适当降低HVPE反应室内的压强可以改善衬底上GaN生长的均匀性.     

低温生长SiC薄膜衬底碳化研究

讨论了在用热丝化学汽相沉积(HFCVD)法沿Si(111)晶面异质生长SiC薄膜的过程中衬底碳化工艺对SiC成膜的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射谱(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和俄歇电子能谱(AES)等分析手段,对衬底碳化进行研究。并对典型工艺条件(钨丝温度2 000℃,衬底温度800℃,衬底碳化时间5 min)下制备的样品的碳化层进行分析,得出其厚度约为20 nm,由富C的3C-SiC层,3C-SiC层和含C的Si层组成。     

脉冲Nd：YAG激光表面熔凝流场与热场的数值模拟

以合金相交多区域统一模型为基础，利用数值模拟方法，对脉冲Ｎｄ：ＹＡＧ激光表面熔凝过程的非稳态温度场和熔区内的流场进行了理论分析。能量方程求解中考虑了固液相变潜热的吸收与释放；合金元素气化热损失、自然对流与辐射热损失；动量方程求解中考虑了热表面张力与浮力联合驱动流。结合实验条件计算了１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢在低频脉冲熔凝情况下熔区的形状和尺寸，并与实验解剖进行了比较。结果表明，在占空比较小时，系列脉冲中每一脉冲形成的表面熔区形状和尺寸可用定点轴对称脉冲模型很好地近似。     

气相输运法大尺寸ZnO单晶生长的传输过程控制

研究了化学气相传输法(CVT)生长ZnO单晶的传输过程、动力学和生长机理,分析了CVT法的传输机理、效率以及温场对传输速率和晶体生长的影响.利用气相-固相单晶成核和生长动力学理论研究了制约单晶生长速度和晶体质量的因素.我们得到的不同条件下ZnO单晶CVT生长的实验结果和现象与理论分析一致,获得了ZnO单晶生长的理想条件和高质量的大尺寸ZnO单晶材料.     

气相输运法大尺寸ZnO单晶生长的传输过程控制

研究了化学气相传输法(CVT)生长ZnO单晶的传输过程、动力学和生长机理,分析了CVT法的传输机理、效率以及温场对传输速率和晶体生长的影响.利用气相-固相单晶成核和生长动力学理论研究了制约单晶生长速度和晶体质量的因素.我们得到的不同条件下ZnO单晶CVT生长的实验结果和现象与理论分析一致,获得了ZnO单晶生长的理想条件和高质量的大尺寸ZnO单晶材料.     

AlN单晶生长热场稳定性模拟

借助多物理场耦合软件模拟了物理气相传输法AlN单晶生长系统中的热场分布.探讨了生长不同厚度晶体的系统内部热场分布,并与实际生长不同厚度晶体的表面形貌进行比对.模拟结果表明,随着晶体厚度的增大,生长系统内部的轴向温度梯度出现不同程度的降低.晶体表面的径向温度曲线逐渐变为微凸界面,这与实际单晶厚度增大时表面形貌的变化趋势基本一致.另外模拟了多晶AlN源的升华收缩对热场分布稳定性的影响.结果表明,多晶AlN源收缩导致系统稳定性下降.通过分析不同电流下的热场分布结果,提出改善系统稳定性的措施.     

大尺寸Bi_（12）S_iO_（20）单晶生长的研究

本文介绍了ＢＳＯ单晶的若干主要性能。报导了用电阻加热提拉法，从φ８０×６０ｍｍ铂金坩埚中生长出φ４０×６０ｍｍ重达８００克左右的优质ＢＳＯ大单晶。研究并确定了生长大尺寸ＢＳＯ晶体的工艺条件，并对晶体中若干主要缺陷进行了观察分析，讨论了它们与生长工艺条件的关系，以及提高晶体质量的主要途经。     

基于PVT法自发形核生长AlN晶体的研究

根据物理气相传输法(PVT) AlN晶体生长特点及工艺要求,自主设计了AlN晶体生长炉及其配套热场.FEMAG软件热场模拟结果表明,自主设计的晶体生长炉及其配套热场可以达到AlN晶体生长所需坩埚内部温度梯度要求.基于设计的PVT生长炉,开展了在2 250℃生长温度、40 h长晶时间条件下的自发形核生长实验.实验研究结果表明,在该工艺条件下,通过自发形核可生长得到典型长度为3～Smm、直径为2 mm的高质量AlN单晶;AlN晶体的c-plane(0001)生长速率最快,易形成尖锥形晶体结构,不利于晶体的扩径;Raman表征图谱中AlN晶体的E2 (high)半峰宽仅为5.65 cm-1,表明AlN晶体质量非常高;SEM、EDS分析得出晶体内部质量较为均匀,c-plane和m-plane腐蚀形貌特征明显.     

Nd∶YAG晶体生长过程中温度场的数值模拟研究

采用有限差分法对使用Cz(Czochralski)法生长Nd∶YAG激光晶体过程中熔体和晶体中的温度场进行数值模拟研究。首先给出了Nd∶YAG晶体生长系统的数学模型 ,然后对上述数学模型进行无量纲化处理 ,最后给出相应的边界条件 ,使用有限差分法求解上述方程。应用上述方法编制仿真程序 ,仿真了改变工艺条件后熔体和晶体温度场的变化情况 ,分析了各种工艺条件对温度场变化的影响。     

坩埚位置对PVT生长AlN晶体过程中物质传输的影响

使用FEMAG晶体生长模拟仿真软件以及自主开发的PVT法有限元传质模块对全自动、双电阻加热物理气相沉积炉开展了AlN晶体生长工艺过程中不同坩埚埚位对温度场、过饱和度场及烧结体升华速率等影响的模拟仿真分析研究。模拟仿真结果表明:在给定工艺条件下,坩埚埚位较低时烧结体温度较高且内部温差较小,烧结体升华表面存在较大的Al蒸气分压梯度,各表面升华速率较快且均匀,籽晶衬底生长前沿温度场呈微凸分布,有利于晶体扩径及生长高质量晶体。随着坩埚埚位的上升,低温区向坩埚壁扩展,预烧结体内轴向及径向温度梯度增加,籽晶衬底附近径向温度梯度逐步降低,过饱和度区域扩大且增强。在坩埚埚位较高情况下,坩埚内原料升华变得不均匀,坩埚侧壁存在高过饱和区域,极易在坩埚壁上发生大量的AlN多晶沉积。模拟分析结果与大量实际晶体生长实验后的坩埚壁处沉积现象及剩余烧结体原料形态相符,较好地验证了模拟仿真分析结果的准确性。