微重力条件下的InxGa1-xSb晶体生长研究

InxGa1-xSb晶体是吸收波长可以在1.7–6.8μm范围内调控的三元半导体晶体,在红外探测、热光伏电池领域具有重要的应用前景,但由于其固液相线相距很远,容易形成成分偏析和结晶缺陷,且重力对流会增加晶体生长界面处物质输送的不均匀性,使得地面环境下难于生长高质量的InxGa1-xSb晶体.微重力环境由于抑制了自然对流,为晶体生长提供了良好条件,本文综述了微重力环境对InxGa1-xSb半导体晶体成分偏析和晶体缺陷的影响,并介绍了中国返回式微重力科学卫星实践十号上的InxGa1-xSb三元晶体的空间生长实验成果.     

空间微重力环境中的晶体生长研究进展

 随着信息技术和生物技术的发展, 人们对于结构完整、性能完美的高品质光电子晶体和蛋白质晶体的需求愈加迫切。地面重力条件下存在自然对流,它显著地影响热量和溶质的输运过程以及晶体/溶液界面边界层特性,进而影响晶体的品质和性能。空间微重力环境提供了纯扩散晶体生长的理想条件,在此条件下有可能生长出高性能的单晶体。在过去30多年的微重力实验中,科学家通过搭载卫星、飞船和空间站等航天器,开展了一系列空间晶体生长研究。本文综述几种主要晶体的实验研究进展,内容包括：半导体晶体、特殊功能晶体、非线性光学晶体、蛋白质晶体和食盐晶体。     

微重力环境中流体特性及其在材料科学中的应用,

航天事业的发展,开拓了宇宙实验验室,为人类带来了珍贵的实验条件——微重力环境,它是指重力加速度低于10~(-6)g的航天器内环境,也可以说是一种“失重”环境。在微重力环境中,不仅重力微弱,而且还有超高真空、深冷、超净、无振动及充足的阳光等优异条件。作者对微重力环境流体的特性进行了定量分析。液体在微重力环境的静压梯度的绝对值是其在普通重力场中的1/10~6,可认为它趋于0,密度梯度也趋于0,由静压梯度引起的浮力也将趋于0,从而悬浮和沉定现象也消失;微重力环境中,在两水平层间发生对流的可能性减小到普通重力空间的1/10~6。在此环境中,液膜没有弯曲现象,拉制的薄片、薄膜和线材结构极为均匀,且厚度和直径非常理想。因无静压梯度、沉淀和悬浮,有利于冶炼优质金属及合金材料,生产均匀性达理想程度的晶体和玻璃材料。在无对流的条件下,材料的扩散控制容易实现,输运过程简化。在晶体或玻璃的生产过程中,可消除冷却结晶阶段因对流而引起的混合、扰动,还可实现材料生产的无容器过程。消除了因容器壁引进杂质和感应成核的问题,文章还探讨了微重力对流体力学基本方程组的影响。     

微重力科学前沿

 微重力科学是空间科学重要的组成部分,其前沿课题在一定程度上反映了人类认识自然的能力以及各国在该领域的研究状态。在微重力这种极端的物理条件下,孕育着物理、化学过程及材料制备中新现象、新规律的发现,以及在更高精度下实现对基本物理规律的检验与验证。本文介绍国内外微重力科学近年最重要的研究进展,并对其进行研判。     

微重力下单晶硅生长中热毛细对流的控制研究

在微重力条件下用浮区结晶法生长半导体单晶硅独具优势，但自由界面的温度梯度所诱发的热毛细对流对晶体质量的影响却更为突出。文中提出一种抑制热毛细对流的新方法-表面截割法，即通过适当改变自由表面的状况业抑制热毛细对流；在建立了半浮区（液桥）热毛细对流的数学模型的基础上，利用有限元法对不同截割方式下的流场、温度场做了数值模拟分析。结果表明，表面截割对浮区内的热毛细对流有很好的抑制作用，适当增加截割次数，可使热毛细对流削弱70%以上。     

GaAs/InP异质材料及MESFET器件研究

用低压金属有机气相外延（LP－MOCVD）在InP衬底上生长出较高质量的GaAs材料，并对材料进行Raman、光致发光（PL）谱的测试分析，结果表明在GaAs／InP外延层中存在伸张应力致使Raman的LO模式的频率红移；PL谱峰较强，16K下测到GaAs的特征激子峰和杂质相关的激子峰，表明了GaAs外延层的晶体质量较好。以此生长方法制备了金属－半导体场效应晶体管（MESFET），其单位跨导可达200ms/mm。该器件已经达到GaAs同质结构的器件水平。     

并 五 苯 晶 体 薄 膜 的 生 长

用物理气相沉积法在水平系统中生长有机半导体并五苯晶体薄膜. 用10～30 mg的源生长出20～30 mm²大小的适合特性测量和器件 制备的晶体薄膜. 利用TEM， SEM和X光透射电镜等仪器对并五苯晶体薄膜进行了测试分析.     

半导体纳米材料CdSe/ZnS在显示器件中的应用

以半导体纳米材料CdSe/ZnS作为发光层, ZnO作为电子传输层, 用Al和氧化铟锡（ITO）分别作为两极材料, 采用旋涂和真空蒸镀膜技术制备半导体发光二极管, 并对其光学性质进行表征. 结果表明: 该器件发射黄光, 峰位为575 nm, 半峰宽30 nm, 最大发光强度2 000 cd/m²; 在较高的电流密度下, 该器件的电致发光效率无
明显衰减; 当半导体纳米材料CdSe/ZnS及ZnO分别作为发光层和电子传输层时, 可制备具有高电流密度且稳定的发光二极管主体材料.     

晶体旋转对浅层内热毛细对流的影响

为了了解微重力下水平温度梯度作用时晶体旋转对Czochralski结构浅液池内硅熔体热毛细对流的影响,利用有限差分法进行了非稳态三维数值模拟,坩埚外壁被加热,半径为50 mm,晶体半径为15 mm,液池深度为3 mm,坩埚外壁与生长界面温差为16 K.模拟结果表明,晶体无旋转时,熔体表面会出现稳定的轮型,当晶体转速较低时,表面轮型会随晶体慢速旋转;当晶体转速超过4 r/min后,表面轮型运动速度发生突变,此时将出现热流体波.     

光子晶体 中国科学家谈科学

光子晶体被认为是未来的半导体,对光通讯、微波通讯、光电子集成以及国防科技等领域将产生重大影响。如果能够突破光子晶体制备的瓶颈,光子晶体将在高性能反射镜、波导、光学微腔、光纤等光学及光电器件上显示其优势,同时在隐身材料等国防科技上也将有非常重要的应用前景。     

非硅微电子学:锗与锗锡场效应晶体管

本文讨论了非硅微电子学,即在硅衬底上利用非硅沟道材料实现互补型金属氧化物半导体(Complememaw Metal Oxide Semiconductor,CMOS)集成电路的微电子科学与技术.文章重点综述了高迁移率锗与锗锡沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)以及隧穿场效应晶体管(Tunneling Field Effect Transistor,TFET)的研究进展.锗与锗锡具有比硅(Si)材料高的空穴和电子迁移率且容易实现硅衬底集成,是实现高迁移率沟道CMOS器件的理想备选材料.通过调节锡组分,锗锡材料可实现直接带隙结构,从而获得较高的带间隧穿几率,理论和实验证明可用锗锡实现高性能TFET器件.本文具体分析了锗锡MOSFETs和TFETs器件在材料生长、表面钝化、栅叠层、源漏工程、应变工程及器件可靠性等关键问题.     

一维非周期性声子晶体中声波动力学特性

基于转移矩阵法和局域振动模式理论,讨论了利用由树脂玻璃和水腔交替构成的声子晶体制备具有分子能态特点的宏观器件的方法;研究了水层宽度梯度变化时声子晶体中的Wannier-Stark阶梯和Bloch振荡.研究结果表明用宏观尺寸材料制备的声子晶体会表现出类似于微观的物理效应,这对于利用宏观尺寸的材料制备更为实际的声子晶体器件具有一定的参考价值.     

新型热电SnSe半导体晶体研究进展

SnSe晶体是一种新型Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体热电材料,具有极低的本征热导率和超高的热电优值ZT,因兼具有高性能、环境友好以及成本低廉等综合优势,近些年正成为国际上争相研究的热点。然而SnSe晶体属于层状结构材料且热膨胀性复杂,导致晶体在生长过程中极易出现解理和开裂,难以获得大尺寸晶体。本文对当前国内外几种主流SnSe晶体生长方法进行了归纳,包括水平气相法、垂直布里奇曼法、垂直温度梯度法等,综合评价了各种方法的优缺点。重点介绍了本团队在水平布里奇曼法生长SnSe晶体方面的研究结果,该方法有望成为未来制备高质量、大尺寸SnSe晶体的一种主流技术。此外,还将不同SnSe晶体的热电优值ZT进行了比较,并对其性能波动进行了初步分析。本综述论文将有助于加深人们对SnSe晶体生长特性的认识,并为未来该晶体材料制备和性能研究提供参考。     

Si(100)和Si(111)衬底上的同质分子束外延

由于硅材料在大规模集成和微结构器件中应用最广,工艺最成熟,以硅为基础的分子束外延材料因此而倍受关注.例如,在硅衬底上外延生长Ⅲ-Ⅴ族半导体和在Ⅲ-Ⅴ族半导体上生长硅,有可能使微电子器件和光电子器件集成在同一芯片上;硅/绝缘体/硅和硅/硅化物/硅单晶结构的生长是实现三维集成、提高集成度的有效途径之一.根据现在已有的实验结果和文献报导,要获得一个界面缺陷少、电学和光学特性优良的异质器件,衬底表面的清洁处理和同质分子束外延生长一个缓冲层是器件制备过程中极为主要的.本文选用φ39mm、n型的Si(100)和φ34mm、p型的Si(111)单晶片为衬底,探讨了它们的清洁处理和同质生长条件.     

半导体材料范畴的界定

将半导体材料定义为广义半导体材料和狭义半导体材料2类,分别介绍了其各自范畴。提供了全球主要广义半导体材料厂商名录,分析了广义半导体材料在集成电路芯片制造中的占比情况及国产化率情况;对狭义半导体材料按材料组分、结晶状态、禁带宽度、光电子器件应用及微电子器件应用列举了常见的5种划分方法,并指出狭义半导体材料以代系划分仅限于微电子器件用,且其各有不同的应用领域,不完全是替代关系。     

人工晶体

<正>长程有序的固态物质称为晶体,凡用人工方法制备的晶体统称为人工晶体。晶体具有规则的几何外形,固定的熔点,并有对称性、均匀性、各向异性及最小内能性等基本特性。许多晶体具有独特的功能特性,如金刚石具有已知物质中最高的硬度,有很高的折射率和导电(导热)性等,硅单晶具有良好的半导体特性,可以生长出大尺寸无位错的单晶,因而广泛用于制备集成电路,成为当前信息社会最重要的基础材料之一。     

空间材料科学专题·编者按

空间材料科学是在微重力、空间辐射和高真空等空间环境条件下,研究材料的结构、性能变化和制备过程的规律,以及材料物理、化学性能变化和使役行为的学科.她既是基于空间技术发展也是基于空间技术发展需求而诞生的材料科学的一个新分支,集材料科学、凝聚态物理、物理化学、流体物理学、工程热物理学、空间环境和空间技术等多领域分支学科的交叉.     

半导体量子线制备方法及研究动态

一维半导体材料由于其在空间二维的量子限域作用，而显示出非线性光学性能、光致发光、独特的光电性能以及单电子效应等，这些特性在电子和光电子元件方面具有潜在的巨大应用价值。一维半导体材料的制备技术已得到广泛研究，文献中报道了许多制备方法。对目前国内外制备半导体量子线的最新研究成果和方法进行了讨论，并对半导体量子线制备研究的发展趋势进行了预测。     

铝锑共掺氧化锌纳米线阵列LED发光性能研究

氧化锌(ZnO)纳米线因具有良好的结晶质量和独特的半导体性质,在光电子器件领域有重要应用前景.利用双元素共掺来提高掺杂元素在ZnO内的固溶度,是获得p型导电ZnO材料的有效方法.本文中利用化学气相沉积法制备Al和Sb共掺的p型ZnO纳米线阵列,通过XRD、SEM、EDS和XPS等手段分析共掺ZnO纳米线的形貌、成分和晶体质量,发现共掺ZnO具有良好的(001)晶向外延取向生长特性,且通过调整升温速率可以调控掺杂ZnO纳米线的晶体质量.基于n-GaN衬底外延生长的共掺ZnO纳米线阵列,构建异质结型LED器件.Ⅰ-Ⅴ曲线结果表明,在±4 V电压下,器件整流比高达13.7,纳米线异质结开启电压为3 V,器件表现出良好的pn结电学特性.电致发光(EL)光谱结果显示,共掺ZnO纳米线LED器件发光峰中心波长约为650 nm,表现为橙红光发射.     

垂直沉积法自组装胶体光子晶体的研究进展

光子晶体是一类电介质常数非均匀分布的人工材料,由于其折射率的非均匀分布对入射电磁波的调制会产生类似于半导体能带结构的光子带隙特性.自1987年提出光子晶体的概念以来,采用自组装方法制备胶体晶体已成为近年来的光子晶体领域的研究热点.基于垂直沉积的自组装方法因具有设备简单、经济,制备周期短, 晶体层厚可控等优点而受到日益广泛的重视.本文阐述了垂直沉积法自组装的机理、实验方法、缺陷控制、应用研究等方面的最新进展,并对垂直沉积法自组装光子晶体的发展趋势及前景作了介绍.