Synthesis and characterizations of boron and nitrogen co-doped high pressure and high temperature large single-crystal diamonds with increased mobility

We synthesized and investigated the boron-doped and boron/nitrogen co-doped large single-crystal diamonds grown under high pressure and high temperature (HPHT) conditions (5.9 GPa and 1290℃). The optical and electrical properties and surface characterization of the synthetic diamonds were observed and studied. Incorporation of nitrogen significantly changed the growth trace on surface of boron-containing diamonds. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements showed good evident that nitrogen atoms successfully incorporate into the boron-rich diamond lattice and bond with carbon atoms. Raman spectra showed differences on the as-grown surfaces and interior between boron-doped and boron/nitrogen co-doped diamonds. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) measurements indicated that the nitrogen incorporation significantly decreases the boron acceptor concentration in diamonds. Hall measurements at room temperature showed that the carriers concentration of the co-doped diamonds decreases, and the mobility increases obviously. The highest hole mobility of sample BNDD-1 reached 980 cm²·V^-1·s^-1, possible reasons were discussed in the paper.     

利用MOCVD技术生长As掺杂的p-ZnMgO薄膜

利用GaAs夹层掺杂的新方法,采用金属有机化学气相沉积(MOVCD)技术,通过控制生长温度,在蓝宝石衬底上成功制备出As掺杂的p型ZnMgO薄膜.利用X射线衍射分析(XRD)、霍尔效应测试和光致发光(PL)谱等表征方法对薄膜的晶体结构、电学性能和光学特性进行分析.结果表明:高温生长的ZnMgO薄膜具有良好的c轴取向性;...     

衬底温度对ZnO薄膜的结构和光学特性的影响

利用等离子体辅助分子束外延(P-MBE)设备在蓝宝石衬底上通过改变生长温度,制备了不同的ZnO样品.研究了衬底温度对ZnO的结构、光学和电学性质的影响.样品的晶体结构利用X射线衍射谱进行表征.X射线衍射谱表明,所有的ZnO样品都是(002)取向的六角纤锌矿结构.随着生长温度的升高,X射线的(002)衍射峰的半峰全宽逐渐...     

硼氢协同掺杂Ib型金刚石大单晶的高温高压合成与电学性能研究

在压力6.0 GPa和温度1600 K条件下, 利用温度梯度法研究了(111)晶面硼氢协同掺杂Ib型金刚石的合成. 傅里叶红外光谱测试表明: 氢以sp³杂化的形式存在于所合成的金刚石中, 其对应的红外特征吸收峰位分别位于2850 cm^-1和2920 cm^-1处. 此外, 霍尔效应测试结果表明: 所合成的硼氢协同掺杂金刚石具有p型半导体材料特性. 相对于硼掺杂金刚石而言, 由于氢的引入导致硼氢协同掺杂金刚石电导率显著提高. 为了揭示硼氢协同掺杂金刚石电导率提高的原因, 对不同体系进行了第一性原理理论计算, 计算结果表明其与实验结果符合. 该研究对金刚石在半导体领域的应用有重要的现实意义.     

Large single crystal diamond grown in FeNiMnCo-S-C system under high pressure and high temperature conditions

Large diamonds have successfully been synthesized from FeNiMnCo-S-C system at temperatures of 1255-1393 ℃and pressures of 5.3-5.5 GPa.Because of the presence of sulfur additive,the morphology and color of the large diamond crystals change obviously.The content and shape of inclusions change with increasing sulfur additive.It is found that the pressure and temperature conditions required for the synthesis decrease to some extent with the increase of S additive,which results in left down of the V-shape region.The Raman spectra show that the introduction of additive sulfur reduces the quality of the large diamond crystals.The x-ray photoelectron spectroscopy(XPS) spectra show the presence of S in the diamonds.Furthermore,the electrical properties of the large diamond crystals are tested by a four-point probe and the Hall effect method.When sulfur in the cell of diamond is up to 4.0 wt.%,the resistance of the diamond is 9.628×10~5 Ω·cm.It is shown that the large single crystal samples are n type semiconductors.This work is helpful for the further research and application of sulfur-doped semiconductor large diamond.     

利用混合有机空穴传输材料提升有机薄膜晶体管场效应迁移率

通过采用在并五苯薄膜与源漏电极之间插入10 nm 并五苯掺杂的N,N’-二苯基-N,N’-二（3-甲基苯基）-1,1’-联苯-4,4’-二胺薄膜的方法研究了基于并五苯有源层的底栅错面型有机薄膜晶体管的电学特性。研究发现：N,N’-二苯基-N,N’-二（3-甲基苯基）-1,1’-联苯-4,4’-二胺的引入可以有效改善有源层和源漏电极接触界面的表面形貌,利于形成欧姆接触,从而改善器件性能,最终使优化器件的迁移率由（0.1±0.01）cm²/（V·s）提升至（0.31±0.02）cm²/（V·s）,阈值电压由（－34.6±1.3）V 降至（－30.1±1.2）V。     

高温高压下氮氢协同掺杂对{100}晶面生长宝石级金刚石的影响

在压力为5.5–6.2 GPa, 温度为1280–1450 ℃的条件下, 利用温度梯度法详细考察了氮氢协同掺杂对100晶面生长宝石级金刚石的影响. 实验结果表明伴随合成腔体内氮、氢浓度的升高, 合成条件明显升高, 金刚石生长V形区间上移; 晶体的红外光谱中与氮相关的吸收峰急剧增强, 氮含量可达2000 ppm, 同时位于2850 cm^-1和2920 cm^-1对应于 sp³杂化 C–H 键的对称伸缩振动和反对称伸缩振动的红外特征峰逐渐增强, 表明晶体中既有高的氮含量, 同时又含有氢. 对晶体进行电镜扫描发现, 氮氢协同掺杂对晶体形貌影响明显, 出现拉长的{111}面, 且晶体表面上有三角形生长纹理. 拉曼测试表明, 晶体的峰位向高频偏移、半峰宽变大, 说明氮、氢杂质的进入对晶体内部产生了应力. 本文成功地以{100}晶面为生长面合成出高氮含氢宝石级金刚石单晶, 在探究氮氢共存环境下金刚石生长特性的同时, 也可为理解天然金刚石的形成机理提供帮助.     

Al组分对MOCVD制备的AlxGa1-xN/AlN/GaN HEMT电学和结构性质的影响

采用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）方法制备了不同Al组分（x=0.19,0.22,0.25,0.32）的Al_xGa_1-xN/AlN/GaN 结构的高电子迁移率晶体管（HEMT）材料。研究了Al_xGa_1-xN势垒层中Al组分对HEMT材料电学性质和结构性质的影响。研究结果表明,在一定的Al组分范围内,二维电子气（2DEG）浓度和迁移率随着Al组分的升高而增大。然而,过高的Al组分导致HEMT材料表面粗糙度增大,2DEG迁移率降低,该实验现象在另一方面得到了原子力显微镜测试结果的验证。在最佳Al组分（25%）范围内,获得的 HEMT材料的2DEG浓度和室温迁移率分别达到1.2×10¹³ cm^-2和1 680 cm²/（V·s）,方块电阻低至310 Ω/□。     

硼硫协同掺杂金刚石的高压合成与电学性能研究

FeNiMnCo-C体系中,在压力6.5 GPa、温度1280—1300℃的极端物理条件下,采用温度梯度法成功合成了硼(B)、硫(S)协同掺杂金刚石大单晶.通过傅里叶红外光谱测试对高温高压所制备金刚石中的杂质进行了表征.借助霍尔效应对典型金刚石样品的电输运性能进行了测试,测试结果表明:硼硫协同掺杂有利于提高p型金刚石的电导率,而且硼硫在合成体系中的添加比例可以决定金刚石的p, n特性.此外,第一性原理计算结果表明,合成体系中不同比例的硼硫协同掺杂对金刚石的p, n特性以及电导率有着直接的影响,计算结果与实验测试结果相吻合.     

Superior material qualities and transport properties of InGaN channel heterostructure grown by pulsed metal organic chemical vapor deposition

Pulsed metal organic chemical vapor deposition is introduced into the growth of In Ga N channel heterostructure for improving material qualities and transport properties. High-resolution transmission electron microscopy imaging shows the phase separation free In Ga N channel with smooth and abrupt interface. A very high two-dimensional electron gas density of approximately 1.85 × 1013cm-2is obtained due to the superior carrier confinement. In addition, the Hall mobility reaches 967 cm2/V·s, owing to the suppression of interface roughness scattering. Furthermore, temperature-dependent Hall measurement results show that In Ga N channel heterostructure possesses a steady two-dimensional electron gas density over the tested temperature range, and has superior transport properties at elevated temperatures compared with the traditional Ga N channel heterostructure. The gratifying results imply that In Ga N channel heterostructure grown by pulsed metal organic chemical vapor deposition is a promising candidate for microwave power devices.     

使用铜源漏电极的非晶氧化铟锌薄膜晶体管的研究

为了实现氧化物薄膜晶体管(TFT)的低电阻布线,采用Cu作为氧化物TFT的源漏电极。通过优化成膜工艺制备了电阻率低至2.0μΩ·cm的Cu膜,分析了Cu膜的晶体结构、粘附性及其与a-IZO薄膜的界面,制备了以a-IZO为有源层和Cu膜的粘附层的TFT器件。结果表明:所制备的Cu膜呈多晶结构;引入a-IZO粘附层增强了Cu膜与衬底的粘附性;同时,Cu在a-IZO中的扩散得到了抑制。所制备的TFT的迁移率、亚阈值摆幅和阈值电压分别为12.9 cm2/(V·s)、0.28 V/dec和-0.6 V。     

超薄EuF3电极修饰层对有机场效应晶体管性能的提升

采用EuF₃薄层修饰低功函数金属Ag源、漏电极,制备了CuPc有机场效应晶体管,研究了不同厚度EuF₃对器件性能的影响。结果表明,EuF₃的厚度由0 nm增至0.6 nm时,接触电阻由23.65×10⁵ Ω·cm减 至3.86×10⁵ Ω·cm,使得器件载流子迁移率由1.5×10^-3 cm²·V^-1·s^-1提高到4.65×10^-3 cm²·V^-1·s^-1。 UPS测试结果表明,薄层EuF₃在Ag与有机半导体间形成了界面偶极势垒,使源漏电极表面功函数增大,空穴注入势垒降低,Ag电极与有机半导体层界面的接触电阻减小,进而提升了空穴的注入效率。     

不同织构CVD金刚石膜的Hall效应特性

采用热丝化学气相沉积法在p型硅衬底上制备了不同织构的多晶金刚石膜,使用XRD表征了CVD金刚石膜的结构特征, 研究了退火后不同织构金刚石膜的电流特性, 使用Hall效应检测仪研究了金刚石膜的霍尔效应特性及随温度变化的规律, 结果表明所制备的金刚石膜是p型材料, 载流子浓度随着温度的降低而增加, 迁移率随着温度的降低而减小. 室温下[100]织构金刚石薄膜的载流子浓度和迁移率分别为4.3×10⁴ cm^-3和76.5 cm²/V·s.     

Large linear magnetoresistance in a new Dirac material BaMnBi_2

Dirac semimetal is a class of materials that host Dirac fermions as emergent quasi-particles.Dirac cone-type band structure can bring interesting properties such as quantum linear magnetoresistance and large mobility in the materials.In this paper,we report the synthesis of high quality single crystals of BaMnBi_2 and investigate the transport properties of the samples.BaMnBi_2 is a metal with an antiferromagnetic transition at T_N = 288 K.The temperature dependence of magnetization displays different behavior from CaMnBi_2 and SrMnBi_2,which suggests the possible different magnetic structure of BaMnBi_2.The Hall data reveals electron-type carriers and a mobility μ(5K)= 1500 cm~2/V·s.Angle-dependent magnetoresistance reveals the quasi-two-dimensional(2D) Fermi surface in BaMnBi_2- A crossover from semiclassical MR~H~2dependence in low field to MR~H dependence in high field,which is attributed to the quantum limit of Dirac fermions,has been observed in magnetoresistance.Our results indicate the existence of Dirac fermions in BaMnBi_2.     

室温下溅射法制备高迁移率氧化锌薄膜晶体管

为降低氧化锌薄膜晶体管(ZnO TFT)的工作电压,提高迁移率,采用磁控溅射法在氧化铟锡(ITO)导电玻璃基底上室温下依次沉积NbLaO栅介质层和ZnO半导体有源层,制备出ZnO TFT,对器件的电特性进行了表征。该ZnO TFT呈现出优异的器件性能:当栅电压为5 V、漏源电压为10 V时,器件的饱和漏电流高达2.2 m A;有效场效应饱和迁移率高达107 cm~2/(V·s),是目前所报道的室温下溅射法制备ZnO TFT的最高值,亚阈值摆幅为0.28 V/decade,开关电流比大于107。利用原子力显微镜(AFM)对NbLaO和ZnO薄膜的表面形貌进行了分析,分析了器件的低频噪声特性,对器件呈现高迁移率、低亚阈值摆幅以及迟滞现象的机理进行了讨论。     

高阻GaN的MOCVD外延生长

利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)在蓝宝石衬底上生长了高阻GaN薄膜。对GaN成核层生长的反应室压力、生长时间和载气类型对GaN缓冲层电学特性的影响进行了分析。实验结果表明,延长GaN成核层的生长时间,降低成核层生长时的反应室压力,载气由H₂换为N₂都会得到高阻的GaN缓冲层。样品的方块电阻R_s最高为2.49×10¹¹ Ω/□。以高阻GaN样品为衬底制备了AlGaN/AlN/GaN结构HEMT器件,迁移率最高达1 230 cm²/(V·s)。     

旋涂法制备氧化锆介质层及其在薄膜晶体管中的应用

采用旋涂法制备了氧化锆介质层薄膜,重点讨论了退火温度以及旋涂转速对薄膜性能的影响及作用机制。研究发现高温后退火一方面使得氧化锆水合物脱水形成氧化锆,另一方面促使氧化锆薄膜结晶。此外,转速较高时,其变化对薄膜厚度及粗糙度无显著影响。当转速为5 000 r/min、退火温度为300℃时,制备的绝缘层厚度具有良好的厚度均匀性,粗糙度为0.7 nm,漏电流为3.13×10^-5 A/cm²（电场强度1 MV/cm）。最终,利用ZrO₂薄膜作为栅极绝缘层,在玻璃基板上制备了铟镓锌氧化物-薄膜晶体管（IGZO-TFT）,其迁移率为6.5 cm²/（V·s）,开关比为2×10⁴。     

1000 V p-GaN混合阳极AlGaN/GaN二极管

GaN材料具有优异的电学特性,如大的禁带宽度(3.4 eV)、高击穿场强(3.3 MV/cm)和高电子迁移率(600 cm~2/(V·s)). AlGaN/GaN异质结由于压电极化和自发极化效应,产生高密度(1×10~(13)cm~(-2))和高迁移率(2000 cm~2/(V·s))的二维电子气(2DEG),在未来的功率系统中, AlGaN/GaN二极管具有极大的应用前景.二极管的开启电压和击穿电压是影响其损耗和功率处理能力的关键参数,本文提出了一种新型的具有高阻盖帽层(high-resistance-cap-layer, HRCL)的p-GaN混合阳极AlGaN/GaN二极管来优化其开启电压和击穿特性.在p-GaN/AlGaN/GaN材料结构基础上,通过自对准的氢等离子体处理技术,在沟道区域形成高阻盖帽层改善电场分布,提高击穿电压,同时在阳极区域保留p-GaN结构,用于耗尽下方的二维电子气,调控开启电压.制备的p-GaN混合阳极(p-GaN HRCL)二极管在阴阳极间距Lac为10μm时,击穿电压大于1 kV,开启电压+1.2 V.实验结果表明, p-GaN混合阳极和高阻GaN盖帽层的引入,有效改善AlGaN/GaN肖特基势垒二极管电学性能.     

具有P型覆盖层新型超级结横向双扩散功率器件

为了设计功率集成电路所需要的低功耗横向双扩散金属氧化物半导体器件(lateral double-diffused MOSFET), 在已有的N型缓冲层超级结LDMOS(N-buffered-SJ-LDMOS)结构基础上, 提出了一种具有P型覆盖层新型超级结LDMOS结构(P-covered-SJ-LDMOS). 这种结构不但能够消除传统的N沟道SJ-LDMOS由于P型衬底产生的衬底辅助耗尽问题, 使得超级结层的N区和P区的电荷完全补偿, 而且还能利用覆盖层的电荷补偿作用, 提高N型缓冲层浓度, 从而降低了器件的比导通电阻. 利用三维仿真软件ISE分析表明, 在漂移区长度均为10 μm的情况下, P-covered-SJ-LDMOS的比导通电阻较一般SJ-LDMOS结构降低了59%左右, 较文献提出的N型缓冲层 SJ-LDMOS(N-buffered-SJ-LDMOS)结构降低了43%左右.     

退火温度对硼掺杂纳米金刚石薄膜微结构和p型导电性能的影响

采用热丝化学气相沉积法制备硼掺杂纳米金刚石 (BDND) 薄膜, 并对薄膜进行真空退火处理, 系统研究退火温度对BDND薄膜微结构和电学性能的影响. Hall效应测试结果表明掺B浓度为5000 ppm (NHB) 的样品的电阻率较掺B浓度为500 ppm (NLB) 的样品的低, 载流子浓度高, Hall迁移率下降. 1000 ℃退火后, NLB和NHB 样品的迁移率分别为53.3和39.3 cm²·V^-1·s^-1, 薄膜的迁移率较未退火样品提高, 电阻率降低. 高分辨透射电镜、紫外和可见光拉曼光谱测试结果表明, NLB样品的金刚石相含量较NHB样品高, 高的硼掺杂浓度使薄膜中的金刚石晶粒产生较大的晶格畸变. 经1000 ℃退火后, NLB和NHB薄膜中纳米金刚石相含量较未退火时增大, 说明薄膜中部分非晶碳转变为金刚石相, 为晶界上B扩散到纳米金刚石晶粒中提供了机会, 使得纳米金刚石晶粒中B浓度提高, 增强纳米金刚石晶粒的导电能力, 提高薄膜电学性能. 1000 ℃退火能够恢复纳米金刚石晶粒的晶格完整性, 减小由掺杂引起的内应力, 从而提高薄膜的电学性能. 可见光Raman光谱测试结果表明, 1000℃退火后, Raman谱图中反式聚乙炔 (TPA) 的1140 cm^-1峰消失, 此时薄膜电学性能较好, 说明TPA减少有利于提高薄膜的电学性能. 退火后金刚石相含量的增大、金刚石晶粒的完整性提高及TPA含量的大量减少有利于提高薄膜的电学性能. 关键词： 硼掺杂纳米金刚石薄膜 退火 微结构 电学性能