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第一届全国宽禁带半导体学术及应用技术会议

第一届全国宽禁带半导体学术及应用技术会议

  • 召开年：2015
  • 召开地：苏州
  • 出版时间： 2015-10-30

主办单位：中国电子学会

会议文集：第一届全国宽禁带半导体学术及应用技术会议 论文集

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  • 摘要：晶格匹配的InAlN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)具有工作频率高、电流密度大等优势,在微波和毫米波应用领域有着巨大的应用前景.目前报道的高频率GaN基HEMT多数是采用InAlN/GaN器件,但是并没有InAlN/GaN功率放大器的报道.这主要受制于InAlN/GaN HEMT栅漏电大、击穿电压低的瓶颈.首次成功研制了W波段InAlN/GaN MMIC功率放大器.基于上述器件的直流数据与小信号数据，建立了应用于W波段MMIC功率放大器设计的器件模型。模型考虑了器件的栅漏电效应，实现了更高的拟合精度。电路采用的是1-2-4的级联结构，单胞器件尺寸为4×35μm，末级总栅宽为560μm。
  • 摘要：发现了对化合物半导体调控p型与n型的一直被半导体研究者们忽略的规则,这一规则将原本看上去无关的载流子浓度、p型与n型调控与材料的绝对化学式直接联系起来:可以表示为在不存在反位替代的情况下,材料的p型与n型仅由其绝对化学式决定(图1举例说明);或者说,在绝对化学式确立后,掺杂原子和空位缺陷的具体情况不影响材料的最终pn型,但会影响材料的载流子浓度和迁移率.
  • 摘要：碳化硅(SiC)晶体是一种宽禁带半导体材料,与以第一代硅(Si)、第二代砷化镓(GaAs)为代表的半导体材料相比,SiC晶体具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率高、电子饱和漂移速率高、抗辐照射性能强、化学稳定性好等优良的物理化学性质,是制造高温、高频、大功率、抗辐射电子器件的关键材料,在新型电力电子器件、微波大功率器件、高光效LED等方面具有广泛的应用需求.物理气相输运法(PVT)是生长SiC晶体的主要方法之一,也是目前大规模商业化制备SiC晶体的方法，微管缺陷是沿[0001]方向延伸的中空管状结构，是柏氏矢量很大的螺位错引起的晶体中的空芯，对SiC器件的使用性能起关键影响作用，是限制SiC材料应用的一个最主要障碍，微管密度是衡量SiC晶体优劣的主要参数。微管道与SiC晶体中的螺旋位错密切相关，微管道是螺旋位错的重要起源，微管道本身就是具有空心核的螺旋位错。随着SiC晶体尺寸增大，微管密度呈急剧上升趋势。研究发现对微管密度的控制涉及诸多方面，既有热力学因素，又有动力学因素，还与生长工艺密切相关。通过研究大尺寸SiC晶体边缘位置微管缺陷抑制方法，包括籽晶结晶质量、生长温度、温度梯度、生长压力、过饱和度、原料．籽晶间距以及籽晶极性等诸多因素对晶体微管缺陷形成的影响，掌握降低大尺寸SiC晶体中微管密度的有效方法，实现对微管缺陷的抑制，获得低微管缺陷密度的SiC晶体。
  • 摘要：AlN及其合金是深紫光电子器件和高频大功率微波器件的理想制备材料.然而由于AlN本身的材料特性,导致其生长制备比较困难.一般而言,其生长温度通常比较高,如国内外报道MOCVD和HVPE的生长温度一般在1400℃以上.本工作利用自主研制的高温HVPE系统,在不同衬底上研究了AlN外延生长特性,探讨了生长条件对AlN生长模式的影响.实验发现在一定温度下,通过控制Al源输入偏压,可实现表面原子台阶形态从锯齿状到圆形的演变.而随着生长温度的提升,Al吸附原子的扩散能力增强,AlN表面形貌从2维原子台阶和位于台阶上的三角形岛状成核生长相结合的模式逐渐过渡到2维原来台阶流生长模式.通过控制生长模式,本工作获得了高质量AlN厚膜材料.在蓝宝石衬底上生长的厚度为5微米左右的AlN厚膜(0002)和(10-12)XRD摇摆曲线半高宽分别为169和313arcsec,表面具有明显原子台阶;在SiC衬底上生长的厚度为3-5微米AlN材料(0002)和(10-12)XRD摇摆曲线的半高宽分别为363和418arcsec.
  • 摘要：There is a great potential in cost reduction for optoelectronics and power electronics by epitaxially integratingⅢ-Nitride semiconductors on large diameter silicon.This paper presents the R&D of GaN-on-Silicon for blue/UV LED,laser diode,and high electron mobility transistors(HEMTs).The epitaxial integration of GaN on silicon was hindered by two major technical challenges.The large lattice mismatch between GaN and Si(～17％)often causes a high density of dislocation defects,and the huge misfit in the coefficient of thermal expansion(～54％)results in crack network formation in the GaN epitaxial film.
  • 摘要：在GaN基光电子器件的研究中,N极性器件因具有更高的空穴注入效率、有利于制备高质量高In组分的InGaN/GaN量子阱等独特优势而受到广泛关注.但相比于Ga极性GaN薄膜,异质外延N极性GaN薄膜晶体质量较差,限制了N极性器件的发展.在高质量Ga极性GaN薄膜的制备中,人们常使用原位插入SiNx掩膜的方式来抑制穿透位错的蔓延.而相同的方法在N极性GaN薄膜的制备中却少有人研究.在本实验中，使用AIXTRON公司生产的3×2”MOCVD设备，在蓝宝石衬底上异质外延N极性GaN薄膜，使用氨气和硅烷作为反应源原位生长SiNx掩膜。实验中通过优化SiNx掩膜插入的位置和SiNx掩膜的沉积时间得到了高质量的N极性GaN薄膜。作为对比实验，使用相同的条件生长了没有SiNx掩膜的N极性GaN薄膜。XRD摇摆曲线半峰宽表明SiNx掩膜使薄膜中螺位错的密度降低了2.5倍，刃位错的密度降低了20倍以上。室温下插入SiNx掩膜使N极性GaN的背景电子浓度从4×l0 18 cm-3降低到4.7×10 17cm-3。低温PL谱中插入SiN掩膜之后施主束缚激子发光峰半峰宽的减小和自由激子发光峰的出现，证实了非故意掺杂的施主杂质浓度的减小和晶体质量的提高。
  • 摘要：GaN基器件近些年来发展快速.基于性价比的考虑,蓝宝石和硅衬底仍然是用来外延GaN的首要选择.但是不可避免的异质衬底会带来的晶格和热失配,进而造成GaN外延层的高位错密度.位错往往会充当非辐射复合中心,漏电通道,影响器件的光电效率和寿命.对激光器,以及对位错敏感的UV和HEMT器件,降低位错就成了一个首要解决的问题，发展了一种基于叠层掩膜衬底的一次外延技术，可以将位错密度降低到一个非常有竞争力的水平。并且叠层掩膜衬底外延的GaN薄膜，低位错密度区从传统的只有翼区，扩展到现在的翼区和窗口区都是低位错密度区。薄膜质量，可利用面积和生产效率这三个掣肘因素都得到了一部分的提升。并且为其他大晶格失陪和热失配的异质外延提供可一个可选的有效途径。
  • 摘要：由于AlN具有禁带宽度大,热导率高,击穿电压高,与AlxGa1-xN合金材料晶格常数及热膨胀系数接近等特点,使得AlN成为AlxGa1-N基紫外光电子器件及高功率、高频电子器件最理想的衬底材料.AlN体材料的主要生长方法是物理气相沉积(PVT)和氢化物气相外延(HVPE).相比于PVT技术,HVPE生长AlN的单晶具有杂质浓度低、光学性质好的特点,适合用于做为AlxGa1-xN基紫外发光及光电子器件的衬底材料.HVPE生长AlN虽然取得了一定进展,但是仍面临一系列问题,其中之一就是形貌控制.本论文系统的分析了影响AlN形貌的主要因素,以及这些因素的竞争关系,并给出了获得有原子台阶平滑表面的AlN的生长条件.
  • 摘要：当前,GaN基器件在高温、高频率、高功率密度的微电子器件和可见区短波段及紫外波段的光电子器件应用领域展现了巨大的优势.然而目前GaN器件主要采用蓝宝石衬底,通过异质外延方法制作,存在较大的晶格适配和热适配,得到的GaN外延层位错密度高,限制了GaN器件的产业化和低损耗、高性能器件的开发.如果采用GaN自支撑衬底实现同质外延,不仅可以解决上述问题,而且可以发展垂直结构的新型器件,大幅度提高器件性能,并避开现有二步生长法相关的国际专利壁垒，为尽快实现低成本、高质量氮化镓衬底的产业化制备，近年来系统开展了氢化物气相外延（HVPE）、氨热法(Ammonothermal method)、助熔剂法(Na Flux method)及其联合技术制备氮化镓体单晶的研究。本文报道了上述三种方法的氮化镓生长原理、装备、生长技术特点及研究进展：(a)通过独特的应力和位错控制技术，HVPE实现了4英寸高质量(位错密度l05cm-2)的氮化镓衬底制备；(b)氨热法系统研究了不同矿化剂作用下的溶解特性和物相关系，为高质量氮化镓的快速生长积累了丰富的热力学和动力学数据；(c)助熔剂法研究了不同种类碳添加剂、Na/Ga配比、温度及压力对液相外延(LPE-GaN)生长的影响规律，实现了高质量氮化镓的液相外延。
  • 摘要：高质量、高In组分InGaN/GaN量子阱生长是实现长波长发光器件的关键问题.由于InGaN与GaN材料的最佳生长温度不同,如果GaN垒层采用较低的温度生长,会造成量子阱区晶体质量变差,降低发光效率.目前,GaN垒层通常采用较高温度生长,然而这会使InGaN阱层在升温的过程中发生分解,降低量子阱层的h组分.在量子阱生长完后生长一层低温GaN保护层(LT-cap),研究其厚度对量子阱In组分及量子阱质量的影响,并通过优化生长过程,实现了高质量、高In组分InGaN/GaN量子阱材料的生长.基于上述实验结果和分析，对InGaN/GaN量子阱的外延生长过程进行了进一步的优化，在InGaN量子阱生长结束后，插入生长中断，接着生长LT-cap层，生长过程如图2(b)所示。通过插入生长中断，可以在生长LT-cap层之前，将InGaN上表面的In原子层烤掉，同时调控生长中断时反应室的温度及中断时间，避免在此过程中InGaN阱层的分解。结果如图3所示，插入生长中断的样品与无生长中断的样品相比，中心发光波长保持基本不变的情况下（525nm），PL强度提高近3倍，并且多峰现象消失。说明在InGaN阱层生长结束后插入20s的生长中断及1.5nm的LT-cap层有利于获得高质量、高In组分的量子阱材料。
  • 摘要：本文利用脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition,PLD)的方法,通过调控AZO薄膜的衬底温度和氧分压,获得方阻为17.03Ω/sq的高导电率AZO薄膜.详细研究了衬底温度和氧分压对AZO薄膜电阻率的影响.如图1所示,结果表明:在不通氧气时,AZO薄膜电阻率随衬底温度升高而降低,而在氧气氛围中,该趋势正好相反.AFM测试表明,在无氧的氛围中,衬底温度增加改善了AZO薄膜粗糙度,从而使电阻率降低.然而,当通入氧气时,衬底温度对薄膜电阻率影响存在两个方面的效应:(1)改善AZO薄膜粗糙度从而减少表面散射,使电阻率降低;(2)如图2所示,促进了AZO薄膜对氧气的吸附,导致电阻率升高.因此,温度升高不但使氧在薄膜中的扩散系数增大,促进了更多的氧捕获电子,使薄膜电阻率增大;而且电子容易挣脱各种陷阱和缺陷被氧捕获,导致导电载流子浓度下降,也会使电阻率增大.
  • 摘要：石墨烯(Gr)因具有超高的电导率和透光率被广泛应用在光电子器件做窗口电极.但研究表明:Gr和P-GaN功函数不匹配,导致产生较高的肖特基势垒,使得Gr作为透明电极应用于GaN基LED仍有一系列问题,如启动电压偏大等.为降低Gr与p-GaN之间的功函数差,在两者之间插入超薄的高功函数金属层、氧化铟锡(ITO)、氧化镍(NiOx)等是降低势垒、减小接触电阻的有效途径.同时,采用高导电的复合透明电极后,会导致横向电流拥挤,在n电极附近产生局部热点,因此,有必要优化p、n电极结构,以缓解该现象.为优化中间层与石墨烯的厚度等参数及p、n电极结构，本文利用有限元方法对Gr/ITO，Gr/NiOx两种复合透明电极LED的光电热性能进行了模拟计算，主要从结温、有源区的电流密度分布均匀度和窗口电极的透光率三个方面综合考虑，对Gr层数、ITO厚度、NiOx厚度及电极结构进行了优化。
  • 摘要：GaN材料作为第三代宽禁带半导体材料近年来发展迅速,以GaN基LED为代表的氮化物光电子器件也得到了广泛的应用.然而,随着器件功率的不断提升,GaN基光电子器件的散热问题日渐突出.由于缺乏同质衬底,GaN材料的生长主要采用异质外延的方法,通常选用价格便宜的蓝宝石作为异质外延的基底.但蓝宝石基底导热性差,使器件在工作时产生的热量不能够有效地传递到热沉上去,从而导致器件工作时的结温急剧升高,不仅降低了器件发光效率,也缩短器件的寿命.为改善氮化物光电子器件散热特性，本研究小组提出了一种新型的蓝宝石基底剥离技术，即两次转移基底技术。其基本原理是：首先利用键合及激光剥离技术，去除蓝宝石衬底，将氮化物外延层（或LED芯片）转移到一临时基底上，然后再利用键合技术将氮化物外延层（或LED芯片）键合到散热良好的永久基底（如Si或金属）上，最后将临时基底去除，从而实现蓝宝石基底的替换。该技术不仅可以解决器件散热问题，还可以通过在器件底部增加底部反射镜增加提取效率。同时，也为研制新型的GaN基光电子器件如共振腔发光管(RCLED)以及垂直腔面激光器(VCSEL)提供了新的技术途径。
  • 摘要：LED由于其具有高效率、长寿命、节能、不含Hg等有害物质等优点,应用领域越来越广,已经逐渐取代传统照明光源,成为新一代照明光源.在LED封装过程中,不同的封装材料由于其热阻不同会对LED的整体性能有很大的影响,因此为了进一步提高LED器件的整体性能,有必要对其热阻进行研究.本文采用集成传感结构的LED芯片(如图1)测量结温,该结构由两个相互电隔离的同质单元组成:一个为发光单元,另一个为温度传感单元.由于小电流下芯片的电压和结温之间呈线性关系,以此关系可以实时测量结温.图2是该芯片样品的封装形式.
  • 摘要：目前蓝光LED的电光转换效率已经很高,达到60％以上,采用"蓝光LED+荧光粉"的方法制备的白光LED的电光转换效率也超过了40％,远远超过了传统照明所常用的白炽灯(7％)和日光灯(20％),被公认为新一代照明光源,但其走进"千家万户"仍需进一步降低成本、提高发光效率及光品质.集成p面金属反射镜技术及n-GaN表面粗化技术的垂直结构薄膜芯片结构可以有效提高LED的出光效率.本文采用牺牲Ni处理的方法获得了具有低电压、高亮度的集成纯Ag反射镜的LED薄膜芯片，牺牲Ni处理，即先在LED外延片表面蒸发一层薄Ni层，随后立即将Ni层用酸去除，然后再蒸镀Ag反射镜，这个过程被称之为镀Ag之前的牺牲Ni处理。本文设计了三个样品，样品A为集成了牺牲Ni处理的纯Ag反射镜LED(Ni蒸镀控制厚度为i5 A)，样品B为集成了NiAg基反射镜LED(Ni蒸镀控制厚度为1A)，样品C为集成了未经牺牲Ni处理的纯Ag反射镜LED。除了反射镜制备工艺的差异之外，三个样品所有的外延生长及芯片制造的制程完全相同，LED芯片的尺寸为1mm×1mm。
  • 摘要：目前,密闭封装的GaAs微波器件中存在着与氢效应(也称"氢中毒")相关的可靠性问题,这些可靠性问题会通过影响器件势垒层的有效失主浓度、改变肖特基内建势、减少沟道载流子浓度,从而使得微波器件的直流与微波性能发生退化.本文针对国产GaN基HEMT器件开展了氢气试验，研究了试验前后氢气对GaN基HEMT器件直流电参数的影响。氢气会对GaN基HEMT器件的栅漏二极管特性和栅延迟特性产生影响，主要原因是由于氢气分解成氢原子扩散至器件表面和势垒层中，钝化了表面态和部分势垒层缺陷。且氢气并不会如其他文献中所说，改变势垒层高度。在后续工作中，还需要进一步研究不同氢气浓度对器件性能、材料特性的影响。
  • 摘要：目前,AlGaN/GaN HEMT作为大功率器件,其功率特性一直是研究的重点.而击穿电压是制约AlGaN/GaN HEMT在高功率高耐压电路应用中的关键参数.RESURF技术首次被Shreepad Karmalkar等人引入GaN HEMT器件,通过对器件的缓冲层进行掺杂,缓冲层和沟道互相耗尽,从而提高了器件的击穿电压.但是GaN掺杂一直是一个难题,这一技术并未得到普遍使用.Yasuhiro Uemoto等人将源场板、栅场板和漏场板相结合,并采用AlN钝化技术,使得AlGaN/GaN HEMT器件的击穿电压达到了8300V.但是场板结构引入了较大的寄生电容,使得器件频率特性退化.本文提出了一种具有局部帽层结构的GaN HEMT能够在不牺牲器件可靠性的基础上提升耐压能力。该结构通过调制沟道电场方法来提高器件的耐压能力，极大的发挥了GaN材料的优势。本文提出的局部帽层结构添加在栅漏之间的AlGaN势垒层之上。该局部帽层结构的材料存在极化效应，且极化强度小于AlGaN势垒层。局部帽层的上层表面处的极化电荷会被钝化层所屏蔽，在帽层与AlGaN势垒层之间界面会存在净剩余的正的极化电荷，由于电中性条件减少了AlGaN势垒层与GaN缓冲层界面的极化束缚电荷，从而减少了帽层下方导电沟道局部区域的二维电子气浓度，耗尽了部分沟道中的二维电子气，形成LDD(low density drain)结构，使AlGaN/GaN HEMT器件在承受耐压时，电场更加均匀，提升了器件的耐压能力。本文利用Silvaco TCAD仿真软件，通过分析器件沟道处的二维电子气浓度和电场分布以及器件的击穿电压来说明局部帽层对氮化镓异质结场效应晶体管击穿特性的改善机理。
  • 摘要：硅衬底上AlGaN/GaN高电子迁移率场效应晶体管(HEMTs)在高压功率开关等器件有着广泛的应用前景.由于功率开关器件工作状态是在高压下,因此在高电场下的电子输运性质对器件的性能至关重要.然而,实际测量GaN基材料中电子的饱和漂移速度比理论计算值低很多,其中一个很重要的原因就是由于热声子效应导致的较低的电子能量弛豫率.因此,如何减弱热声子效应进而提高电子的漂移速度是关键.在这篇报道中，系统地研究了硅衬底上的AlGaN/GaN的高场输运特性。采用MOCVD在硅衬底上生长AlGaN/GaN异质结构样品，研究缓冲层和沟道层不同的碳掺杂浓度对二维电子气高场输运性质的影响。制备了两个含有不同碳并入浓度沟道层的样品备，一个是高的碳并入浓度，一个是低的碳并入浓度。采用40ns宽度的脉冲电压测量样品的电流电压特性曲线，以避免高电压下的自热效应，测试样品的结构采用够短长宽为20×20μmH型。
  • 摘要：氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)可应用于比传统半导体器件更大功率、更高频率和更高温度的场合,因此,GaN基HEMT器件被认为是下一代通信系统和功率转换电路应用的绝佳候选,具有非常广阔的应用前景.然而,GaN基HEMT器件存在多项性能退化的可靠性问题.器件性能退化与多个因素有关,其中与温度有关的可靠性问题尤其关键,器件工作时的自热效应将导致显著的器件性能退化.近年来,基于正向结压的瞬态热阻测试技术和结构函数分析技术为研究半导体热学性能提供了一种新方法.这种方法带来的好处是可以对器件封装结构各层进行热分析.基于这样的思路,对某商用AlGaN/GaN HEMT器件进行高温开态(HTO)应力试验,对试验后器件性能退化、结温升高的原因进行了分析.
  • 摘要：近年来,非晶InGaZnO(IGZO)基薄膜晶体管(TFT)因其高迁移率、高光学透过率、低制备温度和低成本等优点,吸引了学术界及工业界广泛关注,在未来大尺寸平板显示技术发展中具有很大潜能.尽管a-IGZOTFT表现出了较好的器件性能,但是其在栅极偏压下的电学稳定性仍然是实际应用中需要解决的关键问题之一.a-IGZO TFT有源层与栅介质层之间存在着高密度的界面态,会影响器件在栅极正偏压下的电学稳定性,为此,研究了变温条件下非晶铟镓锌氧薄膜晶体管在施加正栅极偏压(PBS)过程和除去栅极偏压之后的恢复过程这两个过程中,晶体管阈值电压随时间的变化关系.实验中获得的阈值电压随时间的变化关系可以很好地通过拉伸指数函数描述.
  • 摘要：SnO2是一种重要的直接带隙宽禁带半导体材料,与目前应用较多的宽禁带半导体GaN、ZnO相比具有更好的化学稳定性、更宽的带隙(3.6eV)等特性.近年来这些特性使得SnO2作为制备短波长发光器件的理想材料而倍受关注.然而目前SnO2的应用与研究多集中在多晶或者非晶薄膜的光电性能方面,而对SnO2外延薄膜的微观结构及光电性能的研究却还不甚成熟.生长高质量的SnO2外延薄膜并探究薄膜的结构与光学性能的影响因素对于实现SnO2薄膜在短波长发光领域的实际应用具有重要意义.本工作中,采用脉冲激光沉积法(PLD)制备出高质量的SnO2外延薄膜,并系统研究了衬底温度与薄膜厚度对外延薄膜结构及光学性能的影响.
  • 摘要：稀磁半导体材料是在半导体材料掺入少量的磁性离子,从而使半导体材料去有磁性,稀磁半导体由于具有磁性、磁光和磁输运等新的物理效应,可以制成各种新型的功能器件,如稀磁半导体超晶格和量子肼、高密度非易失性存储器、磁感应器件、光隔离器件、半导体激光器集成电路及量子计算机等.因此,稀磁半导体材料制成的电子自旋器件有广阔的应用前景.采用Ni离子注入MOCVD方法外延生长p-GaN。Ni离子注入能量为150keV，注入剂量为1×l0 15cm-2、l×l0 16cm-2、1×l0 17cm-2。对Ni离子注入后的GaN样品进行700℃、800℃、和1000℃的快速热退火处理。用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)来分析GaN薄膜的结构和形貌。
  • 摘要：虽然GaN基发光二极管已经实现了广泛的商业化应用,但其总体性能仍然难以达到人们预期的最好效果.其主要问题在于器件在大电流下发光效率会显著降低.研究表明,相比于传统的Ga极性GaN基发光二极管,N极性GaN基发光二极管在大电流下有更好的发光表现.然而,在N极性GaN薄膜的制备过程中表面会形成大量的六方缺陷,其引入的施主型杂质会使N极性GaN薄膜具有较高的背景电子浓度,这使得N极性GaN的p型掺杂面临着巨大的挑战.为此,首先采用MOCVD技术在c面蓝宝石衬底上制备了高质量的N极性GaN薄膜.通过优化生长条件，有效地抑制了N极性GaN表面六方缺陷的形成。通过KOH腐蚀的方法判定了GaN外延薄膜的极性。制备的N极性GaN薄膜(0002)摇摆曲线半峰宽达到了～30arcsec，这证明制备的N极性GaN具有较高的晶体质量。
  • 摘要：二元氮化物根据四面体中原子的排列顺序不同,可将晶体结构分为三种:纤锌矿结构(WZ),闪锌矿结构(ZB)和岩盐矿结构.其中六方纤锌矿Ⅲ族氮化物为稳定结构,在通常生长条件下为主要晶相.在生长Si(111)衬底AlN的过程中,出现了立方相AlN,通过研究材料生长工艺对薄膜中立方相AlN含量的影响以及引入立方相AlN后体系能量的改变,分析了决定立方相AlN形成的机制及主要因素.
  • 摘要：氮化铝(AlN)的禁带宽度大、热导率高、与铝镓氮(AlGaN)的晶格适配小,是AlGaN基紫外LED以及高频大功率电力电子器件的理想衬底材料.氢化物气相外延(HVPE)在制备GaN单晶膜厚方面已经比较成熟,但制备高质量无裂纹的AlN厚膜还比较困难,主要原因是Al原子的平均迁移长度小,AlN倾向于3D岛状生长.Al原子的平均迁移长度与扩散系数以及平均迁移时间有关.为了提高平均迁移长度,提出一种新的解决办法-脉冲式生长.这种方法可以通过增加Al原子在衬底表面的平均迁移时间的方式增加Al原子的迁移长度,促进AlN的二维生长.
  • 摘要：近年来,第三代Ⅲ-Ⅴ族宽禁带半导体AlGaN基各类器件的应用领域不断拓展.由于同质衬底的缺乏,目前大多数的AlGaN基器件均外延于蓝宝石衬底上.然而,蓝宝石衬底与氮化物材料存在较大的晶格失配与热失配,这势必会导致高的缺陷密度(109cm-3).虽然当前GaN自支撑衬底在快速发展中,但是AlGaN的晶格常数小于GaN,在其上生长的AlGaN基材料与器件由于受到张应力的作用很容易开裂,因此,如何在蓝宝石衬底生长出高质量的AlN厚膜是目前的研究热点之一.本文中，采用中高温层交替插入技术，通过不断优化MOCVD生长条件，获得了高质量的AlN厚膜，厚度达到3微米且无开裂，XRD测试结果表明其(0002)及(10-12)面的半高宽分别为32和239。其次，通过多种测试手段研究中温插入层对于AlN厚膜生长的作用。该研究为AlGaN基探测器，UV-LED等各类器件的研制提供了基础研究。
  • 摘要：纤锌矿结构的AlN(氮化铝)的禁带宽度为6.2eV,具有高热导率、高电阻率等优异性能,是一种研制紫外、深紫外光电器件、高温大功率电子器件和高频微波器件的理想材料.由于自然界缺乏AlN同质衬底,AlN材料的制备必须始于异质衬底,较大的晶格失配和热失配,导致普通外延生长的AlN厚膜位错密度较高,晶体质量较差.侧向外延(ELOG)方法可以有效降低ALN中的位错密度.本工作利用自主研发的高温HVPE设备,在条状刻蚀图形(0001)蓝宝石衬底上侧向外延生长了AlN厚膜.图1是扫描电子显微镜(SEM)观察到的截面形貌,很明显外延生长的AlN已经合并.通过优化生长条件，运用侧向外延技术进行A1N厚膜的生长，将成为获得高质量A1N材料的重要方法之一。
  • 摘要：长期困扰GaN基LED发光效率提升的一个关键因素是Mg在GaN材料体系中的激活能高达170mev,造成p-GaN材料的空穴浓度较低.根据第一性原理模拟计算,与GaN有相同带隙的Al InGaN四元合金将会比GaN有一个较高的VBM(valence band maximum),因此在AlInGaN中将比GaN中更容易实现p型掺杂.根据APSYS软件模拟计算,采用p-AlInGaN替换传统的p-GaN作为空穴注入层,可以在有效的提高电子势垒的同时,降低空穴势垒,既能够有效的抑制电子的overflow造成的droop效应,同时也能提升空穴的注入效率.计算结果显示采用p-AlInGaN作为空穴注入层,LED的droop效应由42.1％降低为12.4％.通过优化p-AlInGaN外延生长的温度、压力、V/III比、载气、掺杂浓度等条件，在900℃、lOOtorr、V/III比为12000、氮气作为载气、Mg/Ga比为2%的条件下，得到了具有良好电学性能的p-AlInGaN材料，并应用于GaN基LED结构中
  • 摘要：本文报告了一种新型结构的4H-SIC雪崩单光子紫外光电探测器.应用于弱紫外探测的SIC雪崩光电探测器(APD)在军事以及航天等领域具有很大的潜在应用价值.从已经报道的文献来看,传统的基于4H-SIC材料的APD都是一种倾斜台面的结构,结构如下图一所示.SIC的APD之所以做成这种倾斜台面结构的目的主要是为了抑制器件边缘的场强聚集,从而使得器件能够正常工作于雪崩状态,而不至于过早击穿失效.然而这种传统倾斜台面结构的APD的一个很大的缺陷就是其器件的占空比很低,芯片的有效利用面积很小,在这种倾斜台面结构中,其倾斜台面部分对于光子的探测来说都是无效面积,而为了抑制边缘的场强聚集又必须要求器件的边缘做成一个很小倾角的倾斜台面(斜面与底面的夹角通常要小于10°,为了让场强更均匀甚至需要小于5°);这样在改善器件性能的过程中就遇到一个很大的矛盾.
  • 摘要：作为第三代半导体材料的典型代表,氮化物材料在击穿电场、电子饱和迁移速度、热导率、抗辐射以及能量弛豫时间等方面具有更大的优势.基于子带间跃迁的GaN基量子阱红外探测器可实现从1微米到亚毫米波段的全红外光谱探测.同时,氮化物具有紫外扩展特性可制备单片集成的紫外-红外双色探测器,实现超低虚警率、超快响应时间、更小元器件体积以及更高分辨率成像.氮化物材料中极化诱导的内建电场是目前限制载流子纵向输运、影响红外探测器件光电特性的最主要原因。采取一定的方法对极化电场进行适当的“调制”可大幅提升探测效率，拓展氮化物新的应用领域。率先采用在势垒中插入超薄极化层的方法抵消势垒中的极化电场，制备了原型器件并成功在液氦温区探测到了3-5微米大气窗口红外波段的光电流响应。本方法中的超薄极化层为厚度约为2纳米、具有原子级平整的Al0.5Ga0.5N薄膜，为此采用分子束外延(MBE)方法生长超高质量极化层，以便载流子进行高效的量子隧穿。
  • 摘要：本文通过数字计算分析研究了CaN基激光器的微分电阻随电流的变化.首先,本文确认了微分电阻曲线中"kink",的存在,并给出了一个合理的解释.由于大多数人对于微分电阻解释的基础是肖克莱方程,但肖克莱方程是针对单个pn结提出的.实际上,对于多层结构的激光器而言,在同质结和异质结界面存在许多寄生的二极管,因此仅仅用肖克莱方程解释激光器微分电阻曲线是不确切的，精确解释微分电阻曲线的唯一办法是求解泊松方程和电流连续性方程，进而求得Ⅳ关系。其次，本文发现GaN基激光器的极化能影响“kink”的极性。本研究利用Lastip软件计算了有极化效应c-LDs和无极化效应m-LDs的激光器，计算的(a) m-LDs和(b)c-LDs的dV/dl与PI曲线，插图为实际测量的405nm的激光器的dV/dl与PI曲线。图1说明了m-LDs和c-LDs的微分电阻曲线都存在“kink”，而且两者的极性相反，即m-LDs中“kink”的极性向下，c-LDs中“kink”的极性向上。
  • 摘要：光学损耗是表征激光器性能的重要参数,对激光器的阈值电流、斜率效率有直接的影响.测量激光器的光学损耗对于激光器的研究具有巨大的推动作用.传统的测量氮化镓基激光器光学损耗的方法主要有Hakki-Paoli法、变腔长法,这两种方法都需要制备完整的激光器样品.2010年,DmitryS.Sizov等人提出了一种直接测量氮化镓基激光器外延片光学损耗的方法,并在实验上证实了p型层同镁相关的能级引起的吸收是氮化镓基激光器光学损耗的主要来源.本研究搭建了一套直接测量氮化镓基激光器外延片光学损耗的系统，如图l所示。实验中，405nm激光聚焦到外延片表面，在有源区激发出荧光。荧光向前传播，在外延片侧壁发射出来，然后通过光收集系统聚焦，被光谱仪收集。移动微动平台，改变光波导的距离，记录不同波导距离下的荧光光谱。
  • 摘要：氮化镓(GaN)基异质结场效应晶体管具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、导热性能好、抗辐射和良好的化学稳定性等优异特性,同时氮化镓(GaN)材料可以与铝镓氮(AlGaN)等材料形成具有高浓度和高迁移率的二维电子气异质结沟道,因此特别适用于高压、大功率和高温应用.本文提出了一种具有负离子注入钝化层的GaN基异质结场效应晶体管(Negative Ion Implantation Passivation GaN HFET).该新结构器件的特点是在GaN HFETs器件栅极漏端的钝化层内引入一层具有负离子注入的区域。该负离子注入区通过耗尽部分漏端沟道的二维电子气形成LDD(low -density drain)结构，使沟道电场更加均匀的分布以及扩展耗尽区宽度，从而达到提升器件耐压的目的。
  • 摘要：以AlGaN/GaN HEMT为代表的GaN基功率晶体管由于具有宽带隙、高工作结温、高击穿场强和高电子迁移率等优点,成为当前功率器件研究的热点.然而随着AlGaN/GaN HEMT器件所处理电压电流值的增加,电流崩塌现象,即AlGaN/GaN HEMT器件在动态下工作时输出电流降低的现象,成为影响AlGaN/GaN HEMT在大功率开关领域应用的重要因素,严重影响着器件的实际应用.研究表明,场板结构对电流崩塌有较好的抑制作用.有较好的抑制作用。本实验采用MIS-HEMT结构，使用LPCVD淀积的SiNx为栅下介质层，使用PECVD淀积的SiNx为场板下介质层，采用了3个厚度(213/430/631nm)，并使用Agilent B1505A电流崩塌模块对器件的电流崩塌进行测定，以对比不同厚度的场板下介质层对电流崩塌影响，其测试原理如Fig.l所示。实验发现场板结构对电流崩塌有明显的抑制作用，且介质层最厚(631nm)的场板结构对电流崩塌有最优的抑制效果。
  • 摘要：氧化锡是一种重要的n型宽禁带(室温时约为3.6eV)金属氧化物半导体材料.因为其优异的电学、光学以及电化学特性,氧化锡在诸如太阳能电池、光电导、场效应晶体管、透明电极、光学及气体传感器等众多领域中都有极大的应用潜力.在众多的氧化锡基材料体系中,氧化锡纳米结构,特别是金属掺杂的氧化锡纳米结构,因其特性可通过其形貌、尺寸以及掺杂金属的种类和浓度进行调控而备受研究者的青睐7.特别是在光催化领域,氧化锡由于其宽带隙特征而难以在占据太阳光谱50％的可见光区有效应用;而且,其光生载流子的快速辐射复合也对其光催化性能不利.因此,对氧化锡进行掺杂显得尤为重要.本文采用一种先还原银纳米颗粒，再将银纳米颗粒置于氧化锡反应体系中的两步溶剂热法合成了不同银掺杂量的氧化锡纳米线。形貌表征表明银的存在对氧化锡纳米线的形成至关重要——无银掺杂时仅有氧化锡纳米颗粒形成。此外，光致发光谱中，以氧空位为发光中心的发光强度随银掺杂量的增加先增强后减弱。这可能是两个过程相互竞争的结果：纳米银的表面等离子共振效应可导致氧化锡光吸收截面的增加从而增强氧化锡的发光；同时，银的引入也促进了氧化锡的结晶从而减少了晶格中氧空位的数量，进而降低了它的发光。
  • 摘要：非晶InGaZnO薄膜晶体管因具有高迁移率、低温制备过程、低的漏电流和较高的光学透过率等优异特性,a-IGZO TFT被视为下一代有源矩阵液晶显示器(AMLCD)和有机发光二极管显示器(OLED)背板技术的核心.尽管如此,可靠性仍然是的a-IGZO TFT技术的一个关键问题.偏压应力、光照和外界环境都可能使晶体管性能变化或退化,a-IGZO TFT有源层与栅介质层之间存在着高密度的界面态,会影响器件在栅极正偏压下的电学稳定性.本文研究白光照射对非晶InGaZnO薄膜晶体管稳定性的影响，光照下阈值电压偏移减小是偏置引起的界面载流子的捕获作用和光照诱导的载流子释放作用互相竞争的结果。研究进一步发现，在正栅极偏压应力作用之前器件界面存在被捕获的载流子，通过白光照射可以激发，甚至得到释放，因而阈值电压可以恢复至比平衡状态下更低的值。
  • 摘要：光阳极是染料敏化太阳电池和量子点敏化太阳电池的重要组成部分.它既吸附染料分子或半导体量子点,又为光生载流子提供传输通道.本文介绍了TiO2和ZnO纳米结构在光阳极上的应用.为了提高电池效率而采取的主要措施包括:(i)表面处理,(ii)制备分级结构,和(iii)采用多工作电极布局等.
  • 摘要：作为一种宽禁带半导体材料,由于氮化铝其特殊的物理和化学性质,其在真空电子器件方面的应用已经得到广泛的关注.据文献报道,氮化铝薄膜具有较低的正电子亲和势,甚至是负电子亲和势(NEA),这表明氮化铝可作为真空电子器件的电子源.为此,探究氮化铝阴极的击穿机制是提高相关真空电子器件的稳定性的关键.本文通过分析氮化铝场发射曲线(I-E),结合扫面电子显微镜(SEM)图像和能量色散谱仪(EDS)元素表征,提出一种氮化铝阴极场发射时击穿机制.
  • 摘要：硅衬底上AlGaN/GaN异质结构因其优良的物理性能在功率电子器件领域有着广阔的应用前景.然而,由于硅衬底与外延层之间存在较大的晶格失配和热失配,GaN中位错密度较高,而且表面容易龟裂.虽然许多方法诸如低温AlN插入层、超晶格等被用来解决上述问题,GaN的晶体质量仍然有待提高.本文中提出了一种大失配诱导应力控制的生长方法.其利用预先提供的大晶格失配应力导致位错转弯的机制来过滤位错,这样较高质量的GaN就会保留更多的压应力来补偿降温过程中的热失配.利用这种方法生长出了厚度为3μm的高质量无龟裂的GaN外延膜.(002)和(102)面的摇摆曲线半高宽分别为389arcsec和527arcse.在此基础上,生长的异质结构迁移率高达2040cm-2/vs.方块电阻的大小范围为334±3.6Ω/(□),其均匀性控制在1％.
  • 摘要：表面等离激元(SP)与多量子阱(MQWs)耦合可以有效提高绿光LED出光效率,其出光机理已经有相关报道.通过Laplace方程求解的局域表面等离激元模式标明,仅有偶极模式的能量出射,高阶模式能量在金属颗粒表面耗散掉,减少耗散的方法是采用金属颗粒之间的SP相互耦合.台湾杨志忠等人则认为量子阱中同时存在平行和垂直量子阱方向的偶极子与表面等离激元耦合,可以大大提高出光效率.相关的实验结果比较少.最近有报道认为激发阴极荧光(CL)的高能电子束可以近似为一串偶极子,其与金属颗粒的作用已经在实验上得到证实.成功制备了六角对称的Ag纳米颗粒的表面等离激元绿光LED，并用FDTD模拟探究了其阴极荧光发光机理。由模拟结果可知，最终的出光效率依赖于Ag颗粒对量子阱能量的散射和耗散速率比，而电子束与量子阱的激发强度比、相对位置、电子束与Ag颗粒之间的相对位置、Ag颗粒周围的介质环境都会影响到散射和耗散速率的比例关系，这些影响因素的揭示为表面等离激元耗散的减少提供了新的思路。

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