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物理气相传输法制备SiC单晶中碳包裹物研究(英文)

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人工晶体学报 2014年第7期43卷 1602-1606页

作者：杨昆杨祥龙崔潆心彭燕陈秀芳胡小波徐现刚山东大学晶体材料国家重点实验室济南250100

使用物理气相传输方法(PVT)生长出3英寸4H-SiC单晶。在生长过程中通过在粉料表面放置分布有多个贯穿孔的石墨片,在粉料表面有意引入具有一定分布规律的碳颗粒。在生长后的单晶中能够观察到与石墨片贯穿孔分布相似的包裹物分布。通过对... 详细信息

使用物理气相传输方法(PVT)生长出3英寸4H-SiC单晶。在生长过程中通过在粉料表面放置分布有多个贯穿孔的石墨片,在粉料表面有意引入具有一定分布规律的碳颗粒。在生长后的单晶中能够观察到与石墨片贯穿孔分布相似的包裹物分布。通过对实验结果分析,提出了碳包裹物的形成机制,作者认为生长过程中生长腔内产生的碳颗粒是单晶中碳包裹物的重要来源。并根据该分析进一步提出了减少PVT方法制备SiC单晶中碳包裹物的方法。

关键词：物理气相传输 4H-SiC 碳包裹物质量输运形成机制

物理气相传输法生长1英寸AlN单晶及其表征分析

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人工晶体学报 2019年第9期48卷 1604-1607页

作者：贺广东王琦琨雷丹龚建超黄嘉丽付丹扬吴亮上海大学材料科学与工程学院省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室

本文采用物理气相传输法(PVT)及同质外延工艺,在自发生长的6 mm×7 mm AlN籽晶片上,通过4次迭代,成功生长出高质量1英寸AlN单晶锭。将生长出的单晶锭经过切片、研磨和抛光工艺加工成1英寸低表面粗糙度的单晶片,并采用拉曼光谱仪、扫描... 详细信息

本文采用物理气相传输法(PVT)及同质外延工艺,在自发生长的6 mm×7 mm AlN籽晶片上,通过4次迭代,成功生长出高质量1英寸AlN单晶锭。将生长出的单晶锭经过切片、研磨和抛光工艺加工成1英寸低表面粗糙度的单晶片,并采用拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、高分辨率X射线衍射仪、分光光度计对籽晶片与外延晶片进行结晶质量、位错密度以及紫外透光率等性能表征。结果表明:外延晶片的拉曼E2(high)半高宽为2.86 cm^-1,(002)面XRD摇摆曲线半高宽为241 arcsec,说明晶片具有很高的结晶质量;经过同质外延4次迭代后的晶片较初始籽晶片相比质量有所下降,说明生长过程中由于非平衡生长存在缺陷的增殖;外延晶片具有极其优异的紫外透光率,深紫外265~280 nm波段下的吸收系数低至19~21.5 cm^-1。

关键词：氮化铝物理气相传输同质外延紫外透光率

物理气相传输法生长的氮化铝晶体中缺陷发光研究

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物理气相传输法生长的氮化铝晶体中缺陷发光研究

作者：周琴深圳大学

学位级别：硕士

氮化铝(AlN)是直接带隙宽禁带(.02 eV)化合物半导体,具有高热导率(3.4W·cm·K)和高击穿电场(128 MV·cm)等特性,是发展深紫外光电器件和高压电子器件的优选材料之一。同时,AlN与氮化镓(GaN)的晶格失配率小且热膨胀系数相近,是外延生长... 详细信息

氮化铝(AlN)是直接带隙宽禁带(.02 eV)化合物半导体,具有高热导率(3.4W·cm·K)和高击穿电场(128 MV·cm)等特性,是发展深紫外光电器件和高压电子器件的优选材料之一。同时,AlN与氮化镓(GaN)的晶格失配率小且热膨胀系数相近,是外延生长高铝组分AlGaN材料的理想衬底。目前,基于AlN的光电器件和电子器件的性能尚远逊预期。除难以获得较高的有效掺杂之外,缺陷和杂质所引入的复杂的带间能级分布是主要的制约因素。本文研究了物理气相传输法(PVT)生长的非极化面AlN晶体中缺陷和杂质相关的发光特性。我们利用X射线衍射(XRD)、二次离子质谱(SIMS)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱等对AlN晶体的材料特性和元素分布进行了表征。通过改变激发光的波长、功率及测试温度,我们系统研究了AlN晶体中缺陷和杂质相关的光致发光(PL)特性。主要研究内容及结论归纳如下:所研究的AlN晶体表面为非极化m面。AlN体内唯一可以探测到氧杂质元素。研究了在不同波长光(633、514、266和193 nm)激发下样品的PL光谱。通过高斯分峰拟合方法,确定9个PL发光峰,包括紫外光(.62、3.41和3.21 eV),红外光(1.42、1.58、1.84和2.03 eV),和蓝光(2.7和2.42 eV),分别与铝空位-氧氮替位复合缺陷V-O中心,和铝空位V中心有关。蓝光来自于导带/价带和V中心的跃迁。紫外光来自于导带和V-O中心辐射跃迁,红外光来自于V-O中心和价带之间的跃迁。紫外光和红外光多峰值特性与V-O中心结构和组成的复杂性有关。研究了在266 nm激发下的变激发功率和变温PL光谱。V-O中心有两种组成,即(V–2O)和(V–O)。复合缺陷中心中的O可处在c轴位或者m面内位。两种构型之间的能级劈裂约0.2 eV。紫外光/红外光和蓝光的发光强度随温度升高而降低。我们分别采用Arrhenius曲线模型和局域态荧光模型对光强的温度相关性进行了分析。不同构型的发光中心的激活能接近,即(V-O)_和(V-O)_,不同组成的发光中心的激活能相差较大,即(V-2O)和(V-O)。该论文阐明了氮化铝晶体中与氧相关的缺陷发光峰峰值,对于全面理解氮化铝中的复杂的带边以下的缺陷发光特性,以及有针对性地提高晶体质量,具有重要意义。

关键词：氮化铝物理气相传输光致发光缺陷

以物理气相传输法自支撑生长氮化铝单晶的表征

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稀有金属材料与工程 2020年第10期49卷 3347-3352页

作者：王智昊王琦琨贺广东雷丹黄嘉丽吴亮上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室上海200444

提出了用物理气相传输法自支撑生长氮化铝单晶的新方法,此方法可以在氮化铝烧结体表面一次性获得大量生长的氮化铝单晶。在2373~2523 K的温度条件下经过100 h生长的氮化铝单晶,其最大尺寸为7 mm×8 mm×12 mm,典型直径为5~7 mm。这些原... 详细信息

提出了用物理气相传输法自支撑生长氮化铝单晶的新方法,此方法可以在氮化铝烧结体表面一次性获得大量生长的氮化铝单晶。在2373~2523 K的温度条件下经过100 h生长的氮化铝单晶,其最大尺寸为7 mm×8 mm×12 mm,典型直径为5~7 mm。这些原生晶体的表面形貌及结晶质量分别通过扫描电子显微镜、拉曼光谱和高分辨X射线衍射进行表征分析。拉曼光谱E2峰位的半高全宽为5.7 cm^-1,高分辨X射线衍射得到的对称摇摆曲线的半高全宽为93.6弧度秒。经过选择性化学腐蚀后的晶体,其表面的平均腐蚀坑密度为7.5×104cm^-2。逸出气体分析和辉光放电质谱分析结果表明,碳和氧为晶体内部的主要杂质元素,含量分别为28和120μg/g。此方法为高质量氮化铝单晶的获取提供了一个新的途径,这些单晶可以被切成晶片作为后续氮化铝同质外延生长的优良籽晶。使用这些小的籽晶,成功制备出了直径高达60 mm的氮化铝单晶体/晶圆,并具有良好的深紫外光透过性。

关键词：氮化铝衬底物理气相传输表面形貌结构质量

p型4H-SiC单晶衬底表征及第一性原理计算

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人工晶体学报 2022年第7期51卷 1169-1176页

作者：罗东贾伟王英民戴鑫贾志刚董海亮李天保王利忠许并社太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室太原030024 中国电子科技集团公司第四十六研究所天津300220 山西烁科晶体有限公司太原030024 太原理工大学材料科学与工程学院太原030024

p型4H-SiC是制备高功率电力电子器件的理想衬底材料,但由于工艺技术的制约,国内尚无能力生产高质量、大尺寸、低电阻的p型4H-SiC单晶衬底。本文使用物理气相传输(PVT)法制备了直径为4英寸(1英寸=2.54 cm)Al掺杂的p型4H-SiC单晶衬底。通... 详细信息

p型4H-SiC是制备高功率电力电子器件的理想衬底材料,但由于工艺技术的制约,国内尚无能力生产高质量、大尺寸、低电阻的p型4H-SiC单晶衬底。本文使用物理气相传输(PVT)法制备了直径为4英寸(1英寸=2.54 cm)Al掺杂的p型4H-SiC单晶衬底。通过KOH腐蚀表征样品位错密度,使用高分辨X射线衍射(HRXRD)表征其晶体质量,利用拉曼光谱扫描确定其晶型,采用非接触式电阻测试仪测试其电阻率。结果表明,衬底整体位错密度较低,结晶质量良好,晶型稳定且衬底全片电阻率小于0.5Ω·cm。通过第一性原理平面波超软赝势方法对本征4H-SiC及Al元素掺杂后样品的体系进行能带结构、电子态密度的计算。结果表明Al掺杂后样品禁带宽度减小,费米能级穿过价带,体现出p型半导体的特征。研究结果为大规模生产高质量、低电阻的p型4H-SiC衬底提供思路。

关键词： p型4H-SiC 物理气相传输单晶衬底结构表征 Al掺杂第一性原理半导体

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基于PVT法的SiC单晶生长数值模拟分析

基于PVT法的SiC单晶生长数值模拟分析

作者：温鑫华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

碳化硅单晶(SiC)是一种具有广阔发展前景的材料。近年来,碳化硅已经从一种高潜力的宽带隙半导体发展成为电力电子、5G通讯、新能源等重要领域广泛应用的材料。其优异的物理性能,如强击穿电场、高导热性和高电子饱和速度,使SiC成为电子... 详细信息

碳化硅单晶(SiC)是一种具有广阔发展前景的材料。近年来,碳化硅已经从一种高潜力的宽带隙半导体发展成为电力电子、5G通讯、新能源等重要领域广泛应用的材料。其优异的物理性能,如强击穿电场、高导热性和高电子饱和速度,使SiC成为电子设备和系统层面上节能应用不可或缺的衬底材料。低成本、大尺寸、无缺陷是生长SiC单晶面临的最大挑战。目前物理气相传输(PVT)生长方法已经被证明适合于生长碳化硅单晶。PVT法生长碳化硅单晶是采用中频感应炉加热,在封闭的石墨坩埚中进行生长,生长过程温度高达2200℃以上。现有的检测手段不能实时观测石墨坩埚内部生长情况,而碳化硅单晶生长周期长,试错成本高。因此,采用数值分析的手段建立PVT法生长碳化硅单晶模型,进行计算机仿真实验,实现内部物理场分布可视化,对指导工艺参数的优化具有重要意义。本文首先介绍了碳化硅晶体结构、物理特性、产业发展现状与PVT法生长碳化硅单晶基础理论。其次依据碳化硅单晶生长的工艺要求,利用有限元仿真软件完成了对PVT法生长碳化硅单晶的多场耦合数值分析。最终对影响碳化硅单晶生长的要素进行分析和讨论。取得的主要研究结果如下:1、根据PVT法生长SiC单晶炉的结构和机理,建立了物理场数学模型,并设定边界条件,利用有限元软件组建了多场耦合数值仿真系统。2、利用磁场-温度场耦合模式研究了加热系统中施加电流强度、频率大小、线圈位置、线圈匝数对感应加热系统和温度场的影响,并获得了合理的取值范围。3、在合理的磁场与热场条件下,利用流场-温度场耦合模式研究了 PVT法生长碳化硅单晶过程中的碳化硅多晶粉的尺寸和形状对单晶生长速率和生长质量的影响,并给出合理的优化方向。

关键词：碳化硅单晶生长物理气相传输有限元

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PVT法氮化铝晶体铝面、氮面生长对比分析

人工晶体学报 2021年第12期50卷 2240-2245页

作者：史月增王增华程红娟张丽殷利迎中国电子科技集团公司第四十六研究所天津300220 中国电子科技集团公司新型半导体晶体材料技术重点实验室天津300220

在氮气环境下用PVT方法生长氮化铝过程中,氮面和铝面由于表面化学性质不同,生长的主要化学反应速度存在差异。原子在生长表面的迁移能力不同造成单晶表面生长方式差异较大。在基本相同条件下(生长温度、生长温差、生长气压、类似的籽晶... 详细信息

在氮气环境下用PVT方法生长氮化铝过程中,氮面和铝面由于表面化学性质不同,生长的主要化学反应速度存在差异。原子在生长表面的迁移能力不同造成单晶表面生长方式差异较大。在基本相同条件下(生长温度、生长温差、生长气压、类似的籽晶、同一台生长设备)进行了铝、氮面氮化铝单晶晶体生长。为了更明显地表现铝氮面的差异,将同一片籽晶分为两半,翻转其中一半让铝氮面同时生长。铝面生长较好的区域形成了明显的晶畴,而氮面生长时生长较好的部分出现了明显的生长台阶,并出现了晶畴边界被生长台阶湮灭的生长现象,进一步通过AFM观测到铝面生长台阶平整但被缺陷所阻隔,晶畴发育明显为各晶畴独立生长。氮面生长台阶没有铝面规则但连续性较强,在原来晶畴边界位置也出现了连续的生长台阶(或台阶簇)。所以籽晶质量不高时氮面生长更容易提高晶体质量,后续的XRD测量结果也证明了氮面生长后的晶体质量明显高于铝面生长的晶体质量。

关键词：氮化铝物理气相传输铝面生长氮面生长迁移能晶畴

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不同颜色AlN单晶缺陷研究

人工晶体学报 2018年第7期47卷 1340-1345页

作者：徐永宽金雷程红娟史月增张丽齐海涛中国电子科技集团公司第四十六研究所天津300220

通过物理气相传输(PVT)法在石墨系统中制备了绿色、无色和琥珀色氮化铝(Al N)单晶,在金属系统中制备了琥珀色Al N单晶。晶体中杂质含量测试结果表明石墨系统中琥珀色的Al N晶体比绿色和无色Al N晶体C、Si杂质含量低1~2个数量级,金属系... 详细信息

通过物理气相传输(PVT)法在石墨系统中制备了绿色、无色和琥珀色氮化铝(Al N)单晶,在金属系统中制备了琥珀色Al N单晶。晶体中杂质含量测试结果表明石墨系统中琥珀色的Al N晶体比绿色和无色Al N晶体C、Si杂质含量低1~2个数量级,金属系统中琥珀色Al N晶体杂质含量最低,C、Si、O元素含量均在1018cm-3级别。Al N晶体的吸收图谱和光致发光图谱的分析结果表明,Al N晶体存在着位于4.7 e V、3.5 e V、2.8 e V、1.85 e V的4个吸收峰,其中4.7 e V和3.5 e V的吸收峰导致了Al N吸收截止边的红移,该吸收峰分别源于碳占氮位(CN)的点缺陷和VAl与O杂质的复合缺陷,2.80 e V的吸收峰导致了Al N晶体的琥珀色,该吸收峰是C元素和O元素共同导致的,1.85 e V的吸收峰导致了Al N晶体的绿色,该吸收峰是Si元素和C元素导致的。

关键词：物理气相传输杂质含量缺陷 AlN晶体

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高质量N型SiC单晶生长及其器件应用

人工晶体学报 2015年第6期44卷 1427-1431页

作者：杨祥龙杨昆陈秀芳彭燕胡小波徐现刚李赟赵志飞山东大学晶体材料国家重点实验室济南250100 中国电子科技集团公司第五十五研究所南京210000

采用物理气相传输法在(0001)面偏向方向4°的籽晶上生长了掺氮低电阻率碳化硅(SiC)单晶。结合碳化硅邻位面生长机制,通过优化温场设计,在近平温场下生长出了晶型稳定、微管密度低、高结晶质量的低电阻率4H-SiC单晶。在加工的"epi-ready"... 详细信息

采用物理气相传输法在(0001)面偏向方向4°的籽晶上生长了掺氮低电阻率碳化硅(SiC)单晶。结合碳化硅邻位面生长机制,通过优化温场设计,在近平温场下生长出了晶型稳定、微管密度低、高结晶质量的低电阻率4H-SiC单晶。在加工的"epi-ready"SiC衬底上进行了同质外延,获得了光滑的外延层表面。利用该外延材料研制了600V/10 A SiC肖特基二极管,器件的直流性能与进口衬底结果相当,反向漏电成品率高达67%。另外研制了600 V/50 A SiC肖特基二极管,器件的直流性能也达到了进口衬底水平。

关键词：碳化硅物理气相传输外延肖特基二极管