人工晶体学报

征稿简则

2020, 49(11): 4.

摘要 ( 54 )

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氮化物宽禁带半导体的MOCVD大失配异质外延

沈波;杨学林;许福军

2020, 49(11): 1953-1969.

摘要 ( 148 )

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以氮化镓(GaN)、AlN(氮化铝)为代表的Ⅲ族氮化物宽禁带半导体是研制短波长光电子器件和高频、高功率电子器件的核心材料体系.由于缺少高质量、低成本的同质GaN和AlN衬底,氮化物半导体主要通过异质外延,特别是大失配异质外延来制备.由此导致的高缺陷密度、残余应力成为当前深紫外发光器件、功率电子器件等氮化物半导体器件发展的主要瓶颈,严重影响了材料和器件性能的提升.本文简要介绍了氮化物半导体金属有机化学气相沉积(MOCVD)大失配异质外延的发展历史,重点介绍了北京大学在蓝宝石衬底上AlN、高Al组分AlGaN的MOCVD外延生长和p型掺杂、Si衬底上GaN薄膜及其异质结构的外延生长和缺陷控制等方面的主要研究进展.最后对Ⅲ族氮化物宽禁带半导体MOCVD大失配异质外延的未来发展做了简要展望.

氢化物气相外延生长氮化镓单晶衬底的研究进展

张育民;王建峰;蔡德敏;徐俞;王明月;胡晓剑;徐琳;徐科

2020, 49(11): 1970-1983.

摘要 ( 140 )

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氮化镓(GaN)晶体是制备蓝绿光激光器、射频微波器件以及电力电子等器件的理想衬底材料,在激光显示、5G通讯及智能电网等领域具有广阔的应用前景.目前市场上的氮化镓单晶衬底大部分都是通过氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)方法生长制备的,在市场需求的推动下,近年来HVPE生长技术获得了快速的发展.本论文综述了近年来HVPE方法生长GaN单晶衬底的主要进展,主要内容包含HVPE生长GaN材料的基本原理、GaN单晶中的掺杂与光电性能调控、GaN单晶中的缺陷及其演变规律和GaN单晶衬底在器件中的应用.最后对HVPE生长方法的发展趋势进行了展望.

GaN基三维结构生长与器件应用

王珣;汪莱;郝智彪;罗毅;孙长征;韩彦军;熊兵;王健;李洪涛

2020, 49(11): 1984-1995.

摘要 ( 74 )

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目前,c面氮化镓(GaN)基发光二极管的制备技术已经十分成熟并取得了商业化成功,但仍面临极化电场导致的大电流密度下效率下降(Droop效应)和黄绿光波段效率低的问题.为消除极化电场的影响,人们开始关注半极性和非极性面GaN.其中,基于传统极性面衬底通过三维结构生长来获得半极性和非极性GaN的方法,由于其低成本和生长的灵活性,受到了广泛研究.本文首先总结了三种GaN三维结构的制备方法并分析其生长机理.接着,在此基础上介绍了不同晶面InGaN量子阱的外延生长和发光特性.最后,列举了GaN基三维结构在半极性面LED、颜色可调LED和无荧光粉白光发光二极管方面的应用.

GaN基蓝绿光激光器发展现状与未来发展趋势

李方直;胡磊;田爱琴;江灵荣;张立群;李德尧;池田昌夫;刘建平;杨辉

2020, 49(11): 1996-2012.

摘要 ( 104 )

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氮化镓(GaN)基蓝光和绿光激光器在投影显示、激光加工、激光照明、存储等领域具有重要的应用前景与广泛的市场需求.本文着重介绍了GaN基蓝光和绿光边发射激光器的技术难点和相应的解决方案.在GaN基蓝光与绿光激光器中,就制备高质量InGaN/GaN多量子阱、减少内部光学损耗、增加空穴注入效率等方面分别介绍了一些结构与工艺方面的优化方法.简要介绍了垂直腔面发射激光器(VCSEL)、分布式反馈激光器(DFB)的研究现状.

氮化镓基Micro-LED显示技术研究进展

蒋府龙;许非凡;刘召军;刘斌;郑有炓

2020, 49(11): 2013-2023.

摘要 ( 143 )

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现代社会已经进入信息化并向智能化方向发展,显示是实现信息交换和智能化的关键环节.在目前众多显示技术中,Micro-LED显示技术被认为是具有颠覆性的次世代显示技术,得到学术界与产业界的广泛关注.Micro-LED显示技术是一种新自发光显示技术,具有对比度高、响应快、色域宽、功耗低及寿命长等优点,可以满足高级显示应用的个性化需求.然而目前在Micro-LED显示商业化进程中,依然存在一些技术瓶颈尚未解决.应用于Micro-LED晶圆的外延技术需考虑衬底选择、波长均匀性及缺陷控制等方面因素;Micro-LED器件的效率衰减问题目前依然没有有效的解决途径;此外利用颜色转换媒介实现单片Micro-LED全彩显示技术尚未成熟.本文从以上3个问题点出发,分别综述了Micro-LED显示目前存在的技术问题及研究现状.

氮化镓单晶的液相生长

任国强;刘宗亮;李腾坤;徐科

2020, 49(11): 2024-2037.

摘要 ( 171 )

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氮化镓(GaN)具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优良特性,是制作宽波谱、高功率、高效率光电子、电力电子和微电子的理想衬底材料.除气相法(包括HVPE(氢化物气相外延)、MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)、MBE(分子束外延))生长GaN单晶外,液相法(包括氨热法和助熔剂法)近几年在制备GaN单晶方面取得了较大的进展.本文介绍了氨热法和助熔剂法的生长原理、装备特点及生长习性;综述了两种液相生长方法的研究历程及研究进展,并对液相法生长GaN单晶的发展趋势及主要挑战进行了展望.

氮化镓单晶衬底制备技术发展与展望

姜元希;刘南柳;张法碧;王琦;张国义

2020, 49(11): 2038-2045.

摘要 ( 143 )

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氮化镓(GaN)是第三代半导体材料中的典型代表.因其良好的物理化学性能与热稳定特性,是制作光电子器件及电力电子器件的理想材料.采用同质外延技术在GaN单晶衬底上制备GaN基器件是实现其高性能的根本途径.本文综述了GaN单晶衬底制备的氢化物气相外延技术、三卤化物气相外延技术、氨热法及助熔剂法(钠流法)的研究进展,并对未来可能的发展方向提出了展望.

AlGaN基宽禁带半导体光电材料与器件

贲建伟;孙晓娟;蒋科;陈洋;石芝铭;臧行;张山丽;黎大兵;吕威

2020, 49(11): 2046-2067.

摘要 ( 107 )

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AlGaN基材料是带隙可调的直接带隙宽禁带半导体材料,是制备紫外(UV)光电子器件的理想材料.经过数十年的研究,目前已经在异质衬底外延生长AlGaN基材料、高效掺杂等方面取得了巨大进展.以此为基础,AlGaN基紫外光电器件制备领域也得到长足发展.在本综述中,主要介绍了高质量AlGaN基材料的MOCVD外延生长方法、掺杂方法以及近年来在紫外发光、紫外探测器件方面取得的进展.

AlGaN量子结构及其紫外光源应用

李金钗;高娜;林伟;蔡端俊;黄凯;李书平;康俊勇

2020, 49(11): 2068-2078.

摘要 ( 55 )

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AlGaN量子结构是实现高光效、高稳定紫外固态光源的核心.近年来,AlGaN半导体材料及其紫外光源应用研究取得了较大的进展.然而,AlGaN材料的生长制备只能在非平衡条件下完成,涉及的生长动力学问题十分复杂,制约了量子阱等结构品质的提高;材料带隙宽,p型掺杂难度大,激活效率低,限制了载流子注入;光学各向异性显著,不利于光从器件正面出射.因此,AlGaN基紫外、特别是深紫外波段器件性能还有待提高.本文梳理了AlGaN量子结构与紫外光源效率之间的关系,详细阐述和总结了有源区量子结构、p型掺杂量子结构以及光学各向异性调控等方面所面临的挑战及近年来的重要研究进展.

AlGaN基深紫外发光二极管研究进展

吴峰;戴江南;陈长清

2020, 49(11): 2079-2097.

摘要 ( 97 )

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深紫外光源在杀菌消毒、生化检测、紫外固化、紫外通信等方面具有巨大的应用前景,基于AlGaN半导体的深紫外发光二极管(LED)因具有无毒、体积小、能耗低、寿命长、波长可调等优势,得到了广泛的关注和研究.经过近二十年的研究开发,AlGaN基深紫外LED无论是发光效率和器件寿命都得到了巨大的提升,已逐步开始商业化.然而,相对于GaN基蓝光LED,目前AlGaN基深紫外LED的效率仍旧非常低,还有很大的提升空间.本文首先介绍了深紫外LED的发展现状,并分析了导致器件效率低的原因.然后,分别从内量子效率、光提取效率以及电光转换效率三个方面对目前AlGaN基深紫外LED的研究状况进行了系统的回顾,总结了目前提高发光效率的各种手段和方法.最后对AlGaN基深紫外LED的未来发展进行了展望.

氮化铝纳米结构的生长与物性研究

刘梦婷;韩杰才;王先杰;宋波

2020, 49(11): 2098-2121.

摘要 ( 73 )

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氮化铝(AlN)纳米结构除了具备AlN本身宽带隙、高热导率、高击穿场强和高热稳定性等优异物理性能外,还具备表面效应和小尺寸效应所引起的独特物理和化学性质,因而受到人们的广泛关注.在国内外研究学者多年的不懈努力和研究下,目前已经能够生长结晶质量较高的AlN纳米结构,并在光学、电学和磁学等领域发挥着重要的作用.在本文中,首先探讨了包括化学气相沉积法、物理气相传输法、直流电弧放电法、氢化物气相外延法、分子束外延法等不同AlN纳米结构制备方法的研究进展.随后系统地总结了在不同方法制备过程中,温度、源、气氛、生长时间和催化剂等因素对AlN纳米结构的形貌和结晶质量的影响,并分析了它们的生长机理.最后还详细介绍和讨论了AlN纳米结构的物理性质.

新一代SiC功率MOSFET器件研究进展

柏松, 李士颜, 费晨曦, 刘强, 金晓行, 郝凤斌, 黄润华, 杨勇

2020, 49(11): 2122-2127.

摘要 ( 127 )

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自2017年报道SiC(碳化硅)功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)技术进展以来,针对器件比导通电阻(RON,SP)高等问题不断优化器件结构设计,本课题组改进关键加工工艺,使1200 V SiC MOSFET的RON,SP从8 mΩ·cm2降低到4.8 mΩ·cm2.与此同时,本课题组采用新一代SiC MOSFET设计和工艺技术研制出6.5 kV、10 kV以及15 kV等高压低导通电阻SiC MOSFET,其中10 kV和15 kV器件的比导通电阻分别为144 mΩ·cm2和204 mΩ·cm2,接近单极型SiC器件的理论极限.

新型柔性InSe半导体单晶研究成果登上Science期刊

金敏

2020, 49(11): 2127.

摘要 ( 58 )

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4H-SiC半导体同质外延生长技术进展

冯淦, 孙永强, 钱卫宁, 陈志霞

2020, 49(11): 2128-2138.

摘要 ( 231 )

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4H-SiC(碳化硅)半导体是制作高温、高频、大功率电力电子器件的理想电子材料,近20年来材料生长技术水平不断提升,材料品质逐步提高.本文首先介绍了4H-SiC半导体同质外延生长的必要性,结合SiC多晶型的结构特点,介绍了4H-SiC外延生长过程中的原位掺杂浓度控制、扩展缺陷控制、点缺陷控制及高速生长控制方面的技术进展.同时,介绍了国产4H-SiC外延产业化的现状.

MPCVD单晶金刚石生长及其电子器件研究进展

王艳丰, 王宏兴

2020, 49(11): 2139-2152.

摘要 ( 177 )

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本综述分析了微波等离子化学气相沉积(MPCVD)单晶金刚石生长及其电子器件近年来的研究进展,并对其进行展望.详细介绍了金刚石宽禁带半导体特性、生长原理、生长设备、衬底处理.研究了影响MPCVD单晶金刚石生长的关键因素,为获得最优生长条件提供指导.分析了横向外延、拼接生长、三维生长等关键性生长技术,逐步提高单晶金刚石的质量和面积.在金刚石掺杂的研究中,详细介绍了n型和p型掺杂的研究进展.通过对金刚石肖特基二极管、氢终端金刚石场效应晶体管、紫外探测器的研究,展现了金刚石在电子器件领域的成果和进展.最后总结了MPCVD单晶金刚石生长及其电子应用过程中面临的挑战,展望了金刚石在电子器件领域的巨大应用前景.

SnSe热电半导体晶体生长技术创新进展

白旭东, 胡皓阳, 蒋俊, 李荣斌, 申慧, 徐家跃, 金敏

2020, 49(11): 2153-2160.

摘要 ( 61 )

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SnSe晶体是一种新型低成本环境友好型热电半导体材料,近几年已成为国内外研究的热点.为了获得SnSe晶体,目前国际上主要采用垂直布里奇曼法和垂直梯度凝固法两种技术进行生长.然而该材料因具有独特的层状结构和复杂热膨胀特征,其在晶体生长过程中极易发生解理开裂,导致难以获得大尺寸晶体.为了解决高完整SnSe晶体制备难题,本团队在材料体系相图及热重分析指导下,近年来先后开发出了气相法、水平熔体法以及水平液封法等多种晶体制备技术,均成功获得了较大尺寸的SnSe晶体材料.本论文从工艺原理、技术要点、晶体生长结果等多方面对相关技术创新情况予以介绍,并将它们的优缺点进行了对比.综合评价认为水平液封法在获取高完整SnSe晶体及性能调控方面具有显著优势,未来将逐渐成为一种广受欢迎的技术.

硅基金黄光LED器件性能及应用研究

郭醒, 王光绪, 徐龙权, 熊新华, 杨俊宁, 张建立, 江风益

2020, 49(11): 2161-2168.

摘要 ( 65 )

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可见光发光二极管(LED)范围内,因"黄光鸿沟"这一世界难题的存在,照明用白光LED主要通过蓝光LED芯片激发黄色荧光粉来实现.然而,由于荧光粉的光光转换效率在自身发热所产生的高温环境中易出现衰退的现象,导致荧光型白光LED在使用过程中容易出现光衰、色温飘移等问题.本团队在高光效InGaN黄光LED取得突破的基础上,利用高光效的红、黄光LED合成了一种新型的低色温LED光源器件,其具有无荧光粉、无蓝光的技术特点,本文称之为"硅基金黄光LED".当LED芯片工作电流密度为20 A/cm2时,硅基金黄光LED器件的色温为2170 K,光效为156 lm/W,显色指数Ra为77,当LED芯片工作电流密度为1 A/cm2时,光效可达217 lm/W.本文报道了这一新型LED器件的光效和色温随电流和环境温度的变化趋势,同时对该器件的空间光谱分布进行了优化研究.此外,开展了该器件的高温、高温高湿、冷热冲击等可靠性型式试验,验证了硅基金黄光LED器件具有高可靠性的特点.最后,本文介绍了硅基金黄光LED器件在道路照明、隧道照明等领域的示范应用,以及在母婴灯等家居照明领域的推广应用.

高性能垂直型GaN-on-GaN二极管的研究

杨树, 韩绍文, 李彦君, 李少成, 盛况

2020, 49(11): 2169-2177.

摘要 ( 83 )

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由于高质量自支撑氮化镓(GaN)衬底的出现,垂直型GaN-on-GaN器件获得了快速的发展并具有较高的功率等级和工作频率.本文讨论了垂直型GaN功率二极管的制作、机制和表征.通过制作高质量肖特基界面和高效氟离子注入终端,垂直型GaN肖特基二极管可以表现出较低的正向开启电压(0.55 V,定义于0.1 A/cm2)和较高的反向击穿电压(～800 V).通过极薄的铝镓氮(AlGaN)隧穿增强层,可进一步同时优化正向开启电压(0.43 V)和反向击穿电压(～1020 V).在快速动态测试电路中,垂直型GaN二极管也表现出了接近零的反向恢复特性和无电流坍塌的优异动态特性.

硅基上Si1-xGex合金的外延生长及性能研究

袁紫媛, 潘睿, 夏顺吉, 魏炼, 叶佳佳, 李晨, 陈延峰, 芦红

2020, 49(11): 2178-2193.

摘要 ( 77 )

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硅基上高质量的异质外延生长是实现高性能微电子器件的基础,本文通过低温分子束外延技术在Si衬底上实现了全组分的Si1-x Gex(0

高质量氧化镓单晶及肖特基二极管的制备

张晋, 胡壮壮, 穆文祥, 田旭升, 冯倩, 贾志泰, 张进成, 陶绪堂, 郝跃

2020, 49(11): 2194-2199.

摘要 ( 155 )

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本文采用导模法生长技术,成功制备了高质量掺Si氧化镓(β-Ga₂O₃)单晶,掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3.晶体呈现淡蓝色,通过劳厄衍射、阴极荧光(CL)及拉曼测试对晶体的基本性质进行了表征,结果表明晶体质量良好.紫外透过光谱证明该晶体的禁带宽度约为4.71 eV.此外,在剥离衬底上,采用电子束蒸发、光刻和显影技术制备了垂直结构的肖特基二极管,平均击穿场强EAva为2.1 MV/cm,导通电阻3 mΩ·cm²,展示了优异性能.

AlN单晶生长行为研究

程红娟, 金雷, 武红磊, 齐海涛, 王增华, 史月曾, 张丽

2020, 49(11): 2200-2205.

摘要 ( 142 )

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本文采用物理气相传输法对不同衬底温度和温差下制备的氮化铝(AlN)晶体形貌进行研究,研究结果表明AlN晶体生长受到AlN晶面表面能、Al基元平均动能和AlN晶体表面极性的共同影响.当温差为60℃时,AlN晶体(0001)面生长速率小于(10-10)面,AlN以带状形式生长.将该工艺应用于AlN同质生长中,研究结果表明:温差为60℃时AlN晶体(0001)面呈现畴生长模式,该晶体质量最差;温差为35℃时AlN晶体(0001)面呈现台阶流生长模式,该晶体质量最优;温差为20℃时AlN晶体(0001)面呈现台阶簇生长模式,该晶体容易开裂.通过工艺优化最终获得了直径为40 mm AlN单晶衬底,完全满足器件制备需求.

偏4°4H-SiC同质外延层上新形貌三角形缺陷研究

胡继超;王曦;贾仁需;蒲红斌;陈治明

2020, 49(11): 2206-2210.

摘要 ( 111 )

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利用水平热壁CVD方法,基于SiH4-C3 H8-H2生长系统在n型4H-SiC偏4°衬底上进行同质外延生长.通过Nomarski光学显微镜、激光共聚焦显微镜和拉曼散射光谱(Raman),对外延层中的新形貌三角形缺陷——顶端有倒金字塔结构的三角形缺陷(IPRTD)的表面形貌、结构进行了表征,并根据表征结果提出了该新形貌三角形缺陷的产生机理.研究结果表明,IPRTD由3C-SiC晶型构成;在外延生长中,位于IPRTD生长方向上游的位错缺陷所引起的表面吸附原子的2D成核生长是导致3C-SiC晶型出现的主要原因.同时,外延生长过程中,生长速率和氢气刻蚀作用在[1120]和[1100]/[1100]方向上的差异是导致IPRTD顶端具有倒金字塔结构的主要原因.

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