大尺寸β-Ga2O3晶片的机械剥离及性能北大核心

针对β—Ga2O3单晶易解理的特性,研究了晶体形状对其（100）主解理面的机械剥离影响。结果表明,棱角较为平缓的体单晶机械剥离时容易出现碎裂,而棱角尖锐的体单晶极易实现机械剥离,并且成功剥离出尺寸大于30mm×10mm的β-Ga2O3单晶片。测试了剥离的β-Ga2O3单晶片微观形貌、表面粗糙度、晶体质量以及位错。结果显示,剥离的β-Ga2O3单晶片具有高的表面质量;原子力显微镜（AFM）测试表明,晶片整体表面粗糙度小于1nm,存在0．5～1nm厚的原子台阶;晶片X射线衍射（XRD）摇摆曲线测试显示,其半高宽（FWHM）值低至50arc-sec,表明晶体具有较高的质量;对晶片进行位错腐蚀,结果显示制备的β-Ga2O3晶片具有较低的位错密度,约为6×10^4cm^-2。     

超宽禁带半导体Ga2O3微电子学研究进展

半导体材料Ga2O3是继宽禁带半导体材料SiC/GaN之后新兴的直接带隙超宽禁带氧化物半导体,其禁带宽度为4.5~4.9eV,击穿电场强度高达8MV/cm(是SiC及GaN的2倍以上),物理化学稳定性高,在发展下一代电力电子学和固态微波功率电子学领域具有较大的潜力。自2012年第一只Ga2O3场效应晶体管诞生以来,Ga2O3微电子学的研究呈现快速发展态势。本文综述了β-Ga2O3单晶材料和外延生长技术以及β-Ga2O3二极管和β-Ga2O3场效应管等方面的研究进展,介绍了β-Ga2O3材料和器件的新工艺、新器件结构以及性能测试结果,分析了相关技术难点和创新思路,展望了Ga2O3微电子学未来的发展趋势。     

石英舟HCl-H_2-Ga高温处理

在水平法生长GaAs单晶过程中常常发生晶体与石英舟的沾润,而引起单晶位错大幅度增殖,严重时会导致长成李晶和多晶.近年来,国内外对沾润机理和解决措施进行了一些研究.山口正夫等喷砂的石英舟进行高温处理,舟表面形成α-方石英微晶层,可得到具有金属光泽的单晶.Yamayuchi等发现在生长GaAs单晶后石英舟喷砂表面形成α-方石英粉末层减少熔体与石英舟直接接触避免和舟沾润.本文采取HCI和Ga在H_2气氛下对石英舟进行高温处理工艺(简称HCl-H_2-Ga处理)配合合理的拉品工艺可避免沾润,降低位错,进一步提高GaAs纯度.并根据实验结果确定合理的处理舟工艺.     

Decarbonization and Decolorization of Large Sapphire Crystals Grown by the Temperature Gradient Technique

温度梯度法(temperature gradient technique,TGT)生长的Al2O3晶体因石墨发热体在高温时的挥发和原料中过渡性金属离子的存在,在不同部位呈现不同颜色,一般上部为浅红色,尾部为浅黄绿色.将TGT法生长的Al2O3晶体(φ110×80mm3)依次经过高温氧化气氛、高温还原气氛脱碳、去色退火实验,即"两步法"退火实验,晶体变成无色、透明.经测试,Al2O3晶体的完整性、光学透过率和光学均匀性均有显著提高.     

温梯法生长大尺寸蓝宝石晶体的脱碳去色退火研究

温度梯度法(temperature gradient technique,TGT)生长的Al2O3晶体因石墨发热体在高温时的挥发和原料中过渡性金属离子的存在,在不同部位呈现不同颜色,一般上部为浅红色,尾部为浅黄绿色.将TGT法生长的Al2O3晶体(φ110×80mm3)依次经过高温氧化气氛、高温还原气氛脱碳、去色退火实验,即"两步法"退火实验,晶体变成无色、透明.经测试,Al2O3晶体的完整性、光学透过率和光学均匀性均有显著提高.     

用液体包封技术制备无位错砷化镓单晶

用液体包封技术通过缩晶的手段已能生长无位错砷化镓单晶。已经发现晶体直径的缩细是降低位错的主要措施。熔体组分的化学配比不一定要很严格;只要它能充分维持一个合适的生长速率即可。接近固液交界面必须有一个低的温度梯度,而且这个低温度梯度可以由三氧化二硼包封层的本身来获得。三氧化二硼熔体不一定产生位错。单晶是在〔111〕以及〔100〕方向生长的。分别通过腐蚀(111)-Ga 面和(100)面来观察位错。发现籽晶的所有位错都是从缩颈部分向着晶体的表面消失。     

一种柔性自供电Ga2O3基日盲光电探测器的设计及性能研究北大核心CSCD

近年来,氧化镓(Ga2O3)日盲光电探测器因其高灵敏度和低虚警率及广泛的应用前景,受到了科学家们的高度关注.为了满足现代社会对低损耗、环保、高集成、轻便和柔性器件的需求,可自供电的柔性器件备受关注.然而,到目前为止,Ga2O3基柔性自供电光电探测器鲜有报道.本文通过原位生长技术在耐高温的柔性衬底玻璃纤维布上生长了β-Ga2O3纳米线,并构筑Ag/β-Ga2O3肖特基结.在肖特基结的作用下,光生载流子可在无外加偏压下分离和传输,并展现出超低的暗电流(0.2 pA)、高光暗比(～500)、快响应时间(0.46/0.41 s)和高探测率(6.8×109 Jones).该探测器也表现出良好的机械性能.结果表明,Ag/β-Ga2O3肖特基结探测器在深紫外探测器领域具有广阔的应用前景,为柔性自供电探测技术的发展提供了新的思路.     

双反应源气体HVPE生长α-Ga2O3的仿真优化研究

使用数值模拟的方法,对氢化物气相外延(HVPE)生长α-Ga2O3材料的温度和反应源气流进行了优化.区别于传统的在反应腔内HCl或Cl2携带Ga源的结构,使用了外置Ga源的方法,可以较准确地调整GaCl/GaCl3的组分占比、摩尔分数和浓度.另外,使用分子模拟软件Gaussian计算得到GaCl3与O2反应的活化能,通过实验数据拟合得到α-Ga2O3相变为β-Ga2O3的反应活化能.在此基础上,对生长温度、GaCl/GaCl3的组分占比进行了模拟,并给出了 α-Ga2O3的优化生长条件.     

LEC-GaSb单晶生长技术研究

采用液封直拉(LEC)法进行了生长GaSb单晶的实验研究,对比了等摩尔比的(LiCl+KCl)和氧化硼(B2O3)两种液封剂作用下的生长控制效果。通过模拟了解了保温罩是如何改善系统温场的梯度,进而分析了温场对成晶的影响。对晶体单晶区域的测试结果给出了晶体内部的位错分布特点,X线衍射(XRD)的测试结果显示该区域的晶体质量较好。     

铽镓石榴石晶体多晶合成与单晶生长研究

以(99.99%)Ga2O3和Tb4O7为原料,按照化学计量比并适当富镓配料,采用固相反应法(分段升温工艺)合成高纯、单相的铽镓石榴石(Tb3Ga5O12,简称TGG)多晶料。使用提拉法(CZ)成功生长出44mm×70mm,外观完整无开裂、无螺旋的TGG晶体。经X线衍射分析、密度测试、晶体成分测试表明,生长的晶体结构完整,结晶性好;晶体的密度为7.14g/cm3,与理论值接近;晶体中Tb与Ga摩尔比为66%,可能存在少量Ga空位。     

用第一性原理研究F掺杂β-Ga2O3的电子结构和光学性质

研究F掺杂浓度对β-Ga2O3的几何结构、电子结构和光学性质的影响。F掺杂β-Ga2O3在富Ga条件下容易制备,随F掺杂浓度的提高,F掺杂β-Ga2O3的稳定性增强,结构参数变大。F掺杂β-Ga2O3是一种n型半导体材料,导带中的占据态由Ga 4s、Ga 4p和O 2p态组成,占据态随F掺杂浓度的增加而增加。随F掺杂浓度的提高,F掺杂β-Ga2O3的禁带宽度收缩,占据态展宽。F掺杂β-Ga2O3的吸收谱呈现陡峭的带边吸收和宽的吸收带。随F掺杂浓度的提高,F掺杂β-Ga2O3的带边吸收蓝移,宽带吸收的强度增强。宽带吸收是由导带中的占据态向空态带内跃迁产生的。     

Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3弛豫铁电晶体的生长形貌和生长机理

以PbO作助熔剂采用高温溶液法生长出Pb(Mg1/3Nb2/3)O3弛豫铁电晶体,利用X线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析了晶体相结构和生长形貌。研究结果表明,采用高温溶液法生长出纯钙钛矿相结构的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3弛豫铁电晶体,晶体多为淡黄色,较小的呈赝立方形态,较大晶体逐渐趋于不规则形态,最大尺寸达4mm×4mm×3mm。晶体中存在位错蚀坑和PbO包裹等生长缺陷,生长过程中的温度波动和成分起伏等因素导致这些缺陷的出现。晶体{100}面生长速率最慢能成为热力学上稳定存在的自然显露晶面,晶体的生长机制为二维成核层状生长。     

Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3弛豫铁电晶体的生长形貌和生长机理

以PbO作助熔剂采用高温溶液法生长出Pb(Mg1/3Nb2/3)O3弛豫铁电晶体,利用X线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析了晶体相结构和生长形貌。研究结果表明,采用高温溶液法生长出纯钙钛矿相结构的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3弛豫铁电晶体,晶体多为淡黄色,较小的呈赝立方形态,较大晶体逐渐趋于不规则形态,最大尺寸达4mm×4mm×3mm。晶体中存在位错蚀坑和PbO包裹等生长缺陷,生长过程中的温度波动和成分起伏等因素导致这些缺陷的出现。晶体{100}面生长速率最慢能成为热力学上稳定存在的自然显露晶面,晶体的生长机制为二维成核层状生长。     

基于HfO2栅介质的Ga2O3 MOSFET器件研制

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在(010) Fe掺杂半绝缘Ga2O3同质衬底上外延得到n型β-Ga2O3薄膜材料,材料结构包括400 nm的非故意掺杂Ga2O3缓冲层和40 nm的Si掺杂Ga2O3沟道层.基于掺杂浓度为2.0×1018 cm-3的n型β-Ga2O3薄膜材料,采用原子层沉积的25 nm的HfO2作为栅下绝缘介质层,研制出Ga2O3金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET).器件展示出良好的电学特性,在栅偏压为8V时,漏源饱和电流密度达到42 mA/mm,器件的峰值跨导约为3.8 mS/mm,漏源电流开关比达到108.此外,器件的三端关态击穿电压为113 V.采用场板结构并结合n型Ga2O3沟道层结构优化设计能进一步提升器件饱和电流和击穿电压等电学特性.     

导模法生长的β-Ga2O3单晶的位错腐蚀坑显露面

β-Ga₂O₃单晶作为高压大功率器件的衬底,其位错密度直接影响器件的漏电特性,位错腐蚀坑显露面与外延生长密切相关。β-Ga₂O₃单晶属于单斜晶系,对称性低,研究不同晶面位错腐蚀坑的形状与显露面难度较高。对采用导模(EFG)法生长的(001)、■和(010)面β-Ga₂O₃晶片进行腐蚀,采用扫描电子显微镜(SEM)观测腐蚀坑形貌,采用共聚焦激光扫描显微镜对显露面与表面晶面之间的夹角进行表征,根据测试结果可推算出腐蚀坑显露面晶面指数,为衬底和外延生长提供重要的参考依据。     

大尺寸LGT、LGN晶体生长及性能研究

报道了La3Ga5.5Ta0.5O14(LGT)和La3Ga5.5Nb0.5O14(LGN)压电晶体的生长及其性能研究。采用提拉法成功生长了80 mm×90 mm的晶体。采用LCR电桥、谐振 反谐振法测量了晶体的相对介电常数和压电应变常数,并测试了电阻率随温度的变化。测试结果表明晶体存在良好的压电性能,在高温传感器领域具有巨大的应用价值。     

氧分压对磁控溅射β-Ga2O3薄膜结构及光学特性的影响

通过磁控溅射沉积以及高温热退火处理,在5.08 cm(2 inch)c-plane蓝宝石异质衬底上制备出单晶β-Ga2O3薄膜,研究了溅射气氛中氧分压对β-Ga2O3薄膜的晶体结构以及光学特性的影响.通过调控氧分压,获得了具有{-2 01}晶面族X射线衍射峰的β-Ga2O3薄膜,其最大晶粒尺寸达到138 nm,在300～800 nm波段透射率大于80％,最大光学带隙达5.12 eV.最优的薄膜表面粗糙度达0.401 nm,800 nm波长处折射率为1.94.实验结果表明,降低氧分压有利于溅射粒子动能增大、数量增多,从而提升β-Ga2O3薄膜结晶质量、增加薄膜透射率和光学带隙;适当提高氧分压则有利于改善薄膜表面平整度,并提高致密度.     

SiC单晶生长界面形状计算机模型的建立及验证

利用多物理场耦合模拟软件研究了3英寸(1英寸=2.54 cm)碳化硅(SiC)单晶生长中感应线圈位置对单晶生长系统温度场的影响.分析了感应线圈位置变化对晶体表面径向温度、晶体内部轴向温度以及晶体生长界面形状的影响.同时分析了不同生长时期晶体的界面形状和各向温差的变化规律,建立了3英寸SiC单晶生长界面形状计算机模型,进而将计算机模拟得到的晶体界面形状与单晶生长对照实验获得晶体的界面形状相对比,验证了该模型的可靠性.以此为依据,优化了单晶生长工艺参数,获得了理想的适合3英寸SiC单晶生长的温度场,并成功获得了高质量的3英寸SiC单晶.     

用VGF法生长6英寸锗单晶中籽晶熔接工艺研究

采用垂直梯度凝固(VGF)法生长单晶时,其温度梯度较低,生长速率较小,目前已成为生长大直径、低位错密度晶体的主流技术之一.在VGF法生长单晶的过程中,籽晶的熔接工艺直接影响着单晶生长的成败.研究了拉速器速度、保温时间及石英棉用量对6英寸(1英寸=2.54 cm)锗单晶VGF生长中籽晶熔接的影响,并确定了最佳的籽晶熔接工艺.研究结果发现,当拉速器速度为3～4 mm/h、保温时间为75～100 min、石英棉用量为15～20 9时,实现了对籽晶熔接工艺的精准控制,熔接长度为12～22 mm,位错密度小于500 cm-2,有效地降低了生产成本,提高了生产效率和单晶率.     

Ti掩膜图形层对外延生长GaN薄膜晶体质量的影响

采用氢化物气相外延(HVPE)方法在2英寸(1英寸=2.54 cm)c面蓝宝石衬底上外延生长了高质量GaN单晶薄膜.在GaN生长过程中引入点状和条状两种金属Ti掩膜图形层,研究了不同Ti掩膜图形层对外延生长GaN薄膜晶体质量的影响.使用微分干涉相差显微镜(DICM)、扫描电子显微镜(SEM)、阴极荧光光谱(CL)、喇曼光谱和X射线衍射(XRD)对制备的GaN样品结构和形貌进行了表征分析.实验结果表明,Ti掩膜图形层的引入可以在一定程度上改善GaN薄膜的表面形貌,缓解材料中的应力,降低GaN材料中的位错密度,提高材料的结晶质量.同时发现,相比于点状图形,条状Ti图形掩膜层可以更加有效地改善GaN材料的晶体质量,将位错密度降低到3.2×106 cm-2以下.