高亮度LED衬底材料研究

衬底材料作为半导体照明产业技术发展的基石,是半导体照明产业的核心,具有举足轻重的地位,直接决定了LED芯片的制造路线.高亮度LED的半导体材料体系对衬底材料提出的要求比传统的LED更为严格.村底材料表面的粗糙度、热膨胀系数、热传导系数、极性的影响、表面的加工要求以及与外延材料间晶格间不匹配数,这些因素与高亮度LED的发光效率与稳定性密切相关.重点介绍几种典型材料与外延材料的晶格匹配及其加工要求,从材料制备难易程度和衬底与外延薄膜的化学稳定性对各种衬底材料进行比较分析,并对衬底材料的应用前景进行了预测.     

新型GaN与ZnO衬底ScAlMgO4晶体的研究进展

二十一世纪以来,以氮化镓(GaN)和氧化锌(ZnO)为代表的第三代宽禁带(E_g>2.3 eV)半导体材料正成为半导体产业发展的核心支撑材料。由于GaN与ZnO单晶生长难度较大,成本较高,常采用外延技术在衬底材料上生长薄膜,因此寻找理想的衬底材料成为发展的关键。相比于传统的蓝宝石、6H-SiC、GaAs等衬底材料,铝镁酸钪(ScAlMgO₄)晶体作为一种新型自剥离衬底材料,因其与GaN、ZnO具有较小的晶格失配(失配率分别为～1.4%和～0.09%)以及合适的热膨胀系数而备受关注。本文从ScAlMgO₄晶体的结构出发,详细介绍了其独特的三角双锥配位体结构与自然超晶格结构,这是其热学性质与电学性质的结构基础。此外,ScAlMgO₄晶体沿着c轴的层状结构使其具有自剥离特性,大大降低了生产成本,在制备自支撑GaN薄膜方面具有良好的市场应用前景。然而ScAlMgO₄原料合成难度较大,晶体生长方法单一,主要为提拉法,且与日本存在较大的差距,亟需开发新的高质量、大尺寸ScAlMgO     

立式高真空MOCVD装置CaN外延生长与器件制备

自行设计了一套具有创新性的研究型立式高真空MOCVD装置,能够较好的调节反应气体的流动状态,从而在衬底上生长大面积均匀的外延层.利用该装置在蓝宝石和硅单晶衬底上成功地生长出高质量的GaN晶体薄膜.在蓝宝石衬底上生长出n、p型GaN以及多量子阱多层结构材料,并成功制备了GaN基多层量子阱结构的蓝光发光二极管,性能良好,具有实用价值.     

长波红外HgCdTe／SiFPA工艺现状

用分子束外延（MBE）生长质量最好HgCdTe（MCT）外延层是采用的近晶格匹配衬底CdZnTe,但这种衬底成本高,尺寸较小,这促使人们研究另外的适合于大批量生产的衬底材料。从材料科学观点看,所选择衬底应在红外波段是透明的（从近红外到极长波红外）其热膨胀系数与MCT接近,晶格失配尽可能小。在所研究衬底材料中,Si、Ge、GaAs、     

p^＋—GaInAsSb／p—GaInAsSb／n—GaSb异质结红外探测器

ＧａＩｎＡｓＳｂ是红外探测器中重要的半导体材料之一。我们用水平常压金属氧化物化学气相淀积技术在ｎ型ＧａＳｂ衬底上成功地生长了ＧａＩｎＡｓＳｂ外延层，用ＰＬ谱，红外吸收谱，Ｘ射线衍射和扫描电子超声显微镜等实验手段对ＧａＩｎＡｓＳｂ外延层进行了表征。     

半导体纳米晶体在薄膜晶体管中的应用

以非晶硅薄膜为核心的薄膜晶体管技术目前已经相当成熟,在该技术投入使用并且得以很好地优化之后,要想进一步提高薄膜晶体管的性能,就有必要开发新型的薄膜材料。近年来,由半导体纳米晶体构成的新型薄膜材料在晶体管中的应用越来越受到人们关注。利用半导体纳米晶体制备的薄膜晶体管有着较高的载流子迁移率和开关电流比,同时在其制备过程中可以在较低温度下大面积成膜,能够使用塑料等柔性衬底,因而具有明显的成本优势,发展前景广阔。着重介绍了几种颇具潜力的半导体(如硒化镉、碲化汞、硒化铅、锗、硅)纳米晶体在制备薄膜晶体管方面的应用。     

等离子体增强原子层沉积AlN外延单晶GaN研究

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料,具有较大的禁带宽度,较高的击穿电场强度、电子迁移率、热导系数以及直接带隙等优异特性,被广泛应用于电子器件和光电子器件中。由于与衬底的失配问题,早期工艺制备GaN材料难以获得高质量单晶GaN薄膜。直到采用两步生长法,即先在衬底上低温生长氮化铝(AlN)成核层,再高温生长GaN,才极大地提高了GaN材料的质量。目前用于制备AlN成核层的方法有磁控溅射以及分子束外延等,为了进一步提高GaN晶体质量,本研究提出在两英寸c面蓝宝石衬底上使用等离子体增强原子层沉积(Plasma-enhanced AtomicLayerDeposition,PEALD)方法制备AlN成核层来外延GaN。相比于磁控溅射方法,PEALD方法制备AlN的晶体质量更好;相比于分子束外延方法, PEALD方法的工艺简单、成本低且产量大。沉积AlN的表征结果表明,AlN沉积速率为0.1 nm/cycle,并且AlN薄膜具有随其厚度变化而变化的岛状形貌。外延GaN表征结果表明,当沉积厚度为20.8 nm的AlN时, GaN外延层的表面最平整,均方根粗糙度为0.272 nm,同时具有最好的光学...     

一种新型MEMS温度传感器的设计

本文提出了一种新型的多层梁结构的电容式温度传感器.传感器结构部分是由导体(或半导体)/介质层/导体(或半导体)组成的可变电容器.电容的上下极板分别为金属和衬底硅,中间介质层为二氧化硅层.与传统的温度传感器相比,这种结构的测温范围较宽.文中,应用多层梁理论模型分析了传感器的结构,并利用ANSYS有限元分析对模型进行了验证.当多层梁材料参数已知的情况下,选用大面积,低厚度,能够最大限度的提高传感器性能.     

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...     

半导体ZnO单晶生长的技术进展

ZnO单晶是一种具有半导体、发光、压电、电光、闪烁等性能的多功能晶体材料。近年来,它在紫外光电器件和GaN衬底材料等方面的应用前景而使其成为新的研究热点。本文综述了ZnO单晶助熔剂法、水热法、气相法等生长技术的研究进展,结合ZnO单晶的化学结构,探讨了该晶体的结晶习性及生长技术发展方向。     

轧制单层晶铜箔滑移启动和应变局部化的晶体塑性模拟

在晶粒尺度采用晶体塑性有限元模拟极薄带材轧制成形过程,对优化和改进材料模型以及探究极薄带材塑性变形机制具有重要作用.箔材轧制成形性能主要依赖材料的微观结构(晶界、滑移系、取向).采用退火态的单层晶铜箔为原料,进行箔轧实验和晶体塑性有限元模拟.建立反映晶粒形貌、晶界和取向各向异性的单层晶铜箔晶体塑性有限元模型,分析极薄带轧制成形中单/多滑移系启动状态和应变局部化现象.为准确构建晶体塑性有限元模拟的初始晶粒结构,消除微观组织亚表面的影响,采用垂直晶界即在厚度方向上建立只有一层晶粒的铜箔晶粒模型.结果表明:晶粒各向异性影响单层晶铜箔的轧制变形机制;晶界处的变形和滑移系运动状态完全不同于晶粒其他位置;单层晶轧制变形的滑移状态表现出明显的各向异性,出现局部滑移带和应变局部化,随轧制变形量的增大,滑移差异显著增大;晶界两侧局部区域存在滑移和变形的显著差异,这为亚晶和微观裂纹源的形核提供了有利的位置.     

锗氮共掺碳化硅晶体杂质浓度表征及其电学性质研究

采用物理气相传输(PVT)法生长了2英寸(1英寸=25.4 mm)锗氮(Ge-N)共掺和单一Ge掺杂碳化硅晶体材料, 并制备成10 mm× 10 mm的SiC晶片。利用半导体工艺技术在不同衬底的碳面上制备钛(Ti)/铂(Pt)/金(Au)多层金属电极。使用二次离子质谱仪(SIMS)、霍尔测试仪(Hall)等测试手段对其表征。结果表明, Ge元素和N元素的共同掺杂可以有效提高SiC中Ge元素的掺杂浓度, Ge浓度可以达到1.19×10¹⁹ /cm³。所有晶片衬底均可以在不低于700℃的退火环境中形成欧姆接触, 且在700℃时退火形成最佳欧姆接触。高浓度Ge掺杂衬底接触电阻明显小于低浓度Ge掺杂衬底接触电阻, 这表明可以通过提高晶体中Ge元素浓度来提高器件性能。Hall测试结果表明, 随着Ge掺杂浓度的升高, 衬底迁移率会逐渐降低。这是由于Ge-N共掺后, SiC晶格匹配度提高, Ge元素的掺杂浓度变大, 增加了杂质散射对迁移率的影响。     

超高真空电子束蒸发在多孔硅上外延单晶硅

采用超高越空电子束蒸发的方法在用阳极氧化制备的多孔硅衬底上外延单晶硅,研究了不同多孔硅衬底对外延质量的影响。采用高能电子衍射表征外延层的晶体结构,截面透射电镜上材料的微结构,原子力镜表征外延层表面的粗糙度,卢瑟福背散射／沟道表征外延层晶体质量,扩展电阻表征材料的电学性能。一系列的测试结果表明对在5mA／cm^2电流密度下阳极氧化10min形成的多孔硅衬底,可用超高真空电子束蒸发的方法外延出质量良好的单晶硅。     

多层结构半导体气敏元件制备工艺探索

按照多层结构半导体气敏元件设计,制备介质浆料作为加热层和气敏层间的隔离材料,实现在陶瓷基板的同侧制作加热层和气敏层,降低平面式半导体气敏元件工艺难度。在陶瓷基板的另一侧制作隔热层,降低气敏元件功耗。与传统陶瓷管芯旁热式结构相比,该结构可以采用印刷工艺制作,提高了产品之间性能的一致性。     

新型硅基GaN外延材料的热应力模拟

采用有限元方法，通过ANSYS软件模拟了体硅衬底上和SOI衬底上生长的GaN外延膜从1100℃的生长温度降到20℃的热应力变化情况。模拟结果表明SOI衬底作为一种柔性衬底，能有效减少异质外延的晶格失配，但是单从热失配的角度，由于引入了热膨胀系数（CET）更小的埋层SiO2，SOI衬底会使得外延层热应力略有增大。为了降低外延层中的热应力，我们结合微机电系统（MEMS）的制造工艺，用深反应离子刻蚀（DRIE）的方法，借助于SOI材料自停止刻蚀的优势，将衬底硅和埋氧去除，使得SOI的超薄顶层硅部分悬空，形成一种新型的SOI衬底。模拟结果表明，这种新型SOI衬底可以将GaN外延层中的热应力降低20％左右。     

HgCdTe/CdZnTe液相外延材料的倒易空间图研究

采用高分辨X射线衍射的例易空间图研究了HgCdTe／CdZnTe(-0．044％晶格失配)液相外延材料界面处品格结构，结果显示，通常使用的10μm厚的碲镉汞液相外延材料的晶格相对碲锌镉衬底已处于完全弛豫状态，并且外延层和衬底的品向发生了0．01。的偏离，但是，由于外延层中存在着组分梯度以及衬底和外延层热膨胀系数存在着差异，界面处外延层中仍存在着应力和应变。对称衍射和非对称衍射的实验结果均显示外延材料的例易空间图沿垂直于散射矢量方向有所扩展．这一结果表明晶格失配的弛豫使得界面处外延层的晶体结构呈镶嵌结构。实验也发现，外延层的非对称衍射倒易空间图的扩展偏离散射矢量方向，根据弛豫线模型，这也是由于界面处外延层存在组分梯度和应变梯度所造成的。     

衬底及生长工艺对Hg1—xCdxTe液相外延薄膜的影响

用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）、能量散射Ｘ射线分析（ＥＤＸ）及Ｘ射线双晶摇摆曲线（ＤＣＲＣ）方法对衬底及Ｈｇ１－ｘＣｄｘＴｅ液相外延（ＬＰＥ）薄膜的生长表面进行了研究。发现采用生长前衬底表面覆盖、回熔ＬＰＥ生长措施，可以防止衬底沾污对液相外延层形貌的影响，大大改善Ｈｇ１－ｘＣｄｘＴｅ外延层的晶体质量。     

Si基外延GaN的结构和力学性能

采用MOCVD技术在Si衬底(111)面上生长了GaN外延膜,分析了薄膜表面形貌和Si基GaN的临界载荷,研究了表面发光性能和GaN晶体质量随深度的变化.结果表明,外延层的表面比较平整,多组超晶格插入层可以进一步降低位错密度,提高晶体质量.膜的表面有许多颗粒状的发光中心,除了强的带边峰外,还有弱的黄光带和红光带,这可能是ON与VGa所产生的深能级跃迁产生的.GaN的晶体质量具有梯度变化,GaN外延层的上层晶体质量比较好,界面附近比较差,但是外延层与衬底的结合强度较高,临界载荷达到2.05 N.     

分子束外延技术的发展

分子束外延最早是由G.Gunther于1958年提出来的[1]。其实质是一种非平衡条件下的真空沉积。简单说来,就是把要外延的有关材料放在一个开有小孔的加热器中加热蒸发,通过小孔形成气体分子流──即所谓泻流。小孔对准衬底,于是气体分子便一点一点落在衬底上,只要粘附系数够大,就在衬底上形成一个薄晶层。也就是通过热能分子束与处于一定温度下的晶体表面相互作用,形成新的晶体材料。到1968年,J.Davey和 T.Pankey[2]曾仔细地研究过用这种方法外延 GaAs薄膜。与此同时期J.Arthur[3]研究了砷束和镓束与热的砷化镓衬底的相互作用问题,随后发展…     

新型Al_2O_3/BCB多层薄膜复合介质材料的传输线损耗特性

本文结合功能材料Al2O3和BCB(苯并环丁烯树脂)的特点,创新性地提出了Si/Al2O3/BCB多层薄膜复合结构的衬底,利用Al2O3高介电常数的优点和BCB薄膜工艺制备厚度的灵活性实现了低传输损耗。本研究采用与CMOS相兼容的半导体制造工艺在三种不同衬底(Si、Si/BCB和Si/Al2O3/BCB)上制作了CPW结构的传输线,通过仿真、测量、比较和分析其传输损耗特性得出Si/Al2O3/BCB多层薄膜复合结构衬底有效地降低了普通硅衬底的高频损耗(20GHz时CPW传输线的损耗为1.18dB/mm),实现了微波毫米波电路低损耗传输线,具有广泛的应用前景。