铌酸锂(LiNbO₃, 简称LN)晶体因其优良的非线性、电光等效应成为最具应用价值的集成光子学材料之一。与同成分铌酸锂(Congruent Lithium Niobate, CLN)晶体相比, 近化学计量比铌酸锂(Near-stoichiometric Lithium Niobate, nSLN)晶体的非线性、电光等性能更加突出, 具有更高的应用价值。利用扩散法能够制备组分均匀的实用化nSLN晶体, 然而对大尺寸LN晶体进行扩散处理时, 极易产生孪晶并导致晶片开裂。针对上述问题, 本工作开展了扩散法制备大尺寸nSLN晶体的研究, 对扩散后晶片上的孪晶缺陷进行表征, 分析了孪晶的产生机制, 并通过改进晶片放置方式制备了完整的4英寸(100 nm)和6英寸(153 nm)晶片, 最后测试了晶片的组分和透过率。结果表明, 晶片组分均不低于49.94%(摩尔分数), 接近化学计量比, 其透过率在600~3300 nm范围内均高于71%。扩散法制备的Z-cut和X-cut晶片上均出现了孪晶, 同时Z-cut晶片上的孪晶两两相交时产生裂纹, 而X-cut晶片上并未出现裂纹。分析表明Z-cut和X-cut晶片孪晶面为 \left\{01\overline{1}2\right\}, 该孪晶属于形变孪晶。根据形变孪晶的产生机制, 认为富锂原料不均匀形变是产生孪晶的主要驱动力。最终, 通过改进扩散处理工艺, 抑制了扩散孪晶的产生, 提高了4英寸(100 nm)、6英寸(153 nm)nSLN晶片的成品率。

铌酸锂晶体集压电、非线性、电光、光折变等效应于一身, 同时其物理化学性质稳定, 在集成光学领域极具应用潜力。然而, 大尺寸铌酸锂晶体生长的热场设计难度大, 其中坩埚形状作为热场设计的重要因素, 对晶体生长的影响显著。坩埚直径和高度受制于装料量和晶体直径等硬性约束, 因此通常通过改变坩埚局部的形状以改善热场。针对坩埚底角形状对大尺寸同成分铌酸锂晶体生长的影响, 本研究使用两种底角形状的坩埚进行了四英寸同成分铌酸锂晶体生长实验。通过数值模拟, 分析了坩埚底角形状对固液界面附近晶体内和熔体内轴向温度梯度的影响, 以及对固液界面下方熔体内温度分布的影响, 进而结合晶体生长结果分析了坩埚底角形状对晶体生长的影响。研究表明: 坩埚底角形状的变化会引起坩埚侧壁上温差的变化和熔体内温度梯度的变化, 并改变熔体自然对流的强弱; 与底部斜角坩埚相比, 使用底部弧角坩埚时, 固液界面附近晶体内和熔体内的轴向温度梯度较大, 固液界面下方熔体内的轴向温度梯度较大, 自然对流更强。这一研究结果有助于解决晶体生长脊展宽和胞状界面生长等问题。

硒化铟(InSe)是一种具有奇异物理性能的III-VI族半导体材料, 在光伏、光学、热电等领域有着广泛的应用潜力。由于InSe的非一致熔融特性及InSe、In₆Se₇和In₄Se₃之间复杂的包晶反应, 制备大尺寸InSe晶体十分困难。本研究采用区熔法制备了InSe晶体, 该方法具有成本低、固液界面优化等优点。基于In-Se体系的包晶反应, 发现In与Se的初始物质的量比对InSe晶体生长非常重要, 本工作使用精确非化学计量的In_0.52Se_0.48溶液生长晶体, 使InSe晶体的获得率达到83%左右。实验最终获得了ϕ27 mm×130 mm的晶棒, 并成功剥离出尺寸ϕ27 mm×50 mm的片状InSe单晶, XRD图谱中检测到(00l)衍射峰, 说明晶体的质量良好。InSe晶体呈现六方结构, 各元素在基体中均匀分布, 在1800 nm波长下的透射率为~55.1%, 带隙能量为~1.22 eV。在800 K下, InSe晶体沿(001)方向的最大电导率σ约为1.55×10² S·m^-1, 垂直于(001)方向的最低热导率κ约为0.48 W·m^-1·K^-1。上述结果表明, 区熔法是制备大尺寸InSe晶体的一种有效方法, 可用于制备多类材料。该工作制备的InSe的电学和热学行为也为今后InSe晶体的应用提供了重要参考。

金刚石膜材料用作GaN电子器件散热器具有巨大潜力, 低应力、大尺寸、高质量、原子级光滑表面的金刚石膜层是GaN器件的整体传热能力提升的关键。本研究提出了一种用于3英寸(1英寸=2.54 cm)硅衬底多晶金刚石薄膜的生长和晶圆级抛光技术, 用以实现大尺寸金刚石膜材料在散热器方向上的应用。首先对微波谐振腔内的等离子体进行多物理场自洽建模, 通过仿真模拟技术分析2.45 GHz多模椭球谐振腔微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)装置沉积大尺寸金刚石薄膜的可行性, 并优化生长工艺参数。然后对金刚石薄膜进行研磨抛光处理, 以满足GaN器件的键合需求。模拟结果表明, 输入相同的微波功率, 腔室压强增大导致等离子核心电子和原子H数密度增加, 但径向分布均匀性变差。在优化的工艺条件下沉积了金刚薄膜。实验结果表明, 金刚石薄膜厚度不均匀性为17%。较高的甲烷浓度导致金刚石晶粒呈现以(111)晶面为主的金字塔形貌特征, 并伴有孪晶的生成。Raman光谱中金刚石一阶特征峰半峰全宽(Full width at half maximum, FWHM)为7.4 cm⁻¹。抛光后表面粗糙度达到0.27 nm, 硅衬底金刚石薄膜平均弯曲度为13.84 μm, 平均内应力为−40.7 MPa。采用上述方法, 成功制备了大尺寸、较高晶体质量、低内应力、原子级光滑表面的硅衬底金刚石晶圆。

氟化钙(CaF₂)晶体具有良好的光学性能和化学稳定性, 常常在极端边缘的光学窗口场景中用作基底材料。值得关注的是, CaF₂晶体的抗辐照损伤性能作为紫外激光器窗口材料的关键性能之一, 由于解理效应导致的损伤增长过快, 实际损伤阈值远低于理论值, 无法满足紫外大功率激光器件的需求, 是限制其在高功率紫外激光器中应用的主要因素。本研究运用材料组分设计, 通过掺杂惰性稀土Y³⁺引入F_i^-, 利用Y³⁺与F_i^-之间的团簇作用增加解理面之间的键合数, 以达到增强层间结合力, 降低解理效应, 提高损伤阈值的目的。采用坩埚下降法的晶体生长工艺, 使用多孔坩埚在同一条件下制备了不同Y³⁺掺杂浓度的CaF₂晶体, 并对掺杂的CaF₂晶体的光学质量、机械性能以及热学性能进行分析表征。实验结果表明, 适量Y³⁺掺杂对CaF₂晶体的光学性能和热学性能, 如透过率、热膨胀系数和热导率等改变较小, 不影响CaF₂晶体的使用; 而对机械性能, 如剪切强度影响相对突出, 当掺杂浓度为原子分数0.36%时, 其剪切强度提高了68.4%, 对应Y:CaF₂晶体的激光损伤阈值提高了166%。

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料, 具有较大的禁带宽度, 较高的击穿电场强度、电子迁移率、热导系数以及直接带隙等优异特性, 被广泛应用于电子器件和光电子器件中。由于与衬底的失配问题, 早期工艺制备GaN材料难以获得高质量单晶GaN薄膜。直到采用两步生长法, 即先在衬底上低温生长氮化铝(AlN)成核层, 再高温生长GaN, 才极大地提高了GaN材料的质量。目前用于制备AlN成核层的方法有磁控溅射以及分子束外延等, 为了进一步提高GaN晶体质量, 本研究提出在两英寸c面蓝宝石衬底上使用等离子体增强原子层沉积(Plasma-enhanced Atomic Layer Deposition, PEALD)方法制备AlN成核层来外延GaN。相比于磁控溅射方法, PEALD方法制备AlN的晶体质量更好; 相比于分子束外延方法, PEALD方法的工艺简单、成本低且产量大。沉积AlN的表征结果表明, AlN沉积速率为0.1 nm/cycle, 并且AlN薄膜具有随其厚度变化而变化的岛状形貌。外延GaN表征结果表明, 当沉积厚度为20.8 nm的AlN时, GaN外延层的表面最平整, 均方根粗糙度为0.272 nm, 同时具有最好的光学特性以及最低的位错密度。本研究提出了在PEALD制备的AlN上外延单晶GaN的新方法, 沉积20.8 nm的AlN有利于外延高质量的GaN薄膜, 可以用于制备高电子迁移率晶体管及发光二极管。

异质外延为金刚石晶圆合成提供了一个有效的实现路径, 而Ir衬底上金刚石形核生长技术经过20多年的发展已经有能力制备最大直径为3.5英寸的晶体, 开启了金刚石作为终极半导体在电子信息产业应用的大门。然而,表面形核、偏压技术窗口、金刚石外延生长等一系列发生在异质衬底上的问题都需要从生长热力学的角度给予解释。本研究针对化学气相沉积气氛中金刚石如何实现外延形核与生长这一关键问题, 利用第一性原理计算从原子尺度对金刚石形核生长过程展开了系列探究。研究结果如下: C原子在Ir衬底表面位点吸附比在体相位点吸附更稳定, 表明无偏压条件下金刚石形核只能在衬底表面发生; 离子轰击作用下非晶氢化碳层中sp³杂化C原子个数随着离子动能的增加呈现先增大后减小的变化规律, 证实了金刚石高密度形核存在一定的离子动能与偏压大小窗口; 金刚石沿着Ir衬底外延生长时界面结合能最低(约为-0.58 eV/C), 意味着界面结合能是决定外延形核生长的主要热力学因素。本研究阐明了偏压辅助离子轰击促进金刚石单晶外延生长的热力学机制, 对于指导金刚石及其他碳基半导体生长具有重要意义。

采用Chzochralski方法成功生长了Dy³⁺掺杂的SrGdGa₃O₇晶体, 并对其结构和光学特性进行了详细研究。基于XRD数据, 采用Rietveld法优化了晶体的晶格参数。分析了Dy: SrGdGa₃O₇晶体的偏振吸收谱、偏振发射谱和荧光衰减曲线。在452 nm处, π偏振和σ偏振对应的吸收截面分别为0.594×10^-21和0.555×10^-21 cm²。计算得到的有效J-O强度参数Ω₂、Ω₄和Ω₆分别为5.495×10^-20、1.476×10^-20和1.110×10^-20 cm²。J-O理论分析和荧光光谱表明: 在452 nm激发下, Dy: SrGdGa₃O₇晶体⁴F_9/2→⁶H_13/2跃迁在可见光波段具有最高的荧光分支比和荧光强度, 在574 nm处的π和σ偏振发射截面分别为1.84×10^-21和2.49×10^-21 cm²。Dy³⁺: ⁴F_9/2能级的辐射寿命和荧光寿命分别为0.768和0.531 ms, 量子效率为69.1%。研究结果表明: Dy³⁺: SrGdGa₃O₇晶体是一种潜在的可用于蓝光LD泵浦实现黄激光的材料。

微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)技术是制备大尺寸、高品质单晶金刚石的理想途径, 然而MPCVD单晶金刚石生长过程的复杂性与晶体生长需求的多样性难以对生长过程进行优化设计。针对此问题, 本研究提出了一种基于等离子体诊断技术的MPCVD单晶金刚石生长的系统性设计方法, 采用等离子体成像和光谱分析对微波等离子体进行量化诊断。并利用自主研发的MPCVD设备, 研究了腔室压力-微波功率-等离子体性状-衬底温度间的物理耦合特性和量化关系, 得到了不同参数下的等离子体有效长轴尺寸、基团浓度和分布、能量密度等数据, 以实验观测数据为基础拟合得到了单晶金刚石生长工艺图谱。根据此工艺图谱, 可以通过选择生长温度和所需生长面积来选取工艺参数, 且通过实验验证, 表明此图谱具有较强的指导意义, 预测参数误差小于5%。同时根据该图谱的预测, 研究了不同等离子体能量密度下的单晶金刚石生长情况, 在较低功率下(2600 W)也得到了较高的能量密度(148.5 W/cm³), 含碳前驱体的浓度也高于其他工艺条件, 因而获得了较高的生长速率(8.9 μm/h)。此套方法体系可以针对不同单晶金刚石生长需求进行有效的等离子体调控和工艺优化。

碳化硅具有优异的物理化学性能, 在电动汽车、轨道交通、高压输变电、光伏、5G通信等领域具有广泛应用前景。8英寸(1英寸=2.54 cm)SiC衬底在降低器件单位成本、增加产能供应方面具有巨大的潜力, 成为行业重要的技术发展方向。近期山东大学与广州南砂晶圆半导体技术有限公司在8英寸SiC衬底位错缺陷控制方面取得了重大突破, 使用物理气相传输法(Physical vapor transport, PVT)制备了低位错密度8英寸导电型4H-SiC单晶衬底, 其中螺位错(Threading screw dislocation, TSD)密度为0.55 cm^-2, 基平面位错(Basal plane dislocation, BPD)密度为202 cm^-2。

提拉法生长的晶体肩部形状普遍为斜肩, 但斜肩的肩部质量差且加工难度大, 会降低晶体的利用率, 生长平肩晶体可以解决该问题。然而, 平肩晶体对热场和扩肩工艺要求非常高, 扩肩阶段易出现多晶和包裹体缺陷。铌酸锂晶体作为一种多功能晶体材料, 在电子技术、光通信技术、激光技术及集成光子学技术等领域得到了广泛应用。本研究以同成分铌酸锂晶体为例, 利用数值模拟和实验方法, 研究了提拉法生长平肩晶体的热场和扩肩工艺。结果表明：提拉法生长平肩晶体时, 放肩阶段结晶前沿的界面形状需保持微凸；反射屏降低(10 mm)可减小结晶前沿的温度梯度, 避免肩部生成多晶；扩肩速度以监控为主, 微调加热功率保证扩肩趋势, 适当增大扩肩初期(ϕ≤30 mm)的速度, 降低中后期(ϕ≥35 mm)的扩肩速度, 可达到不产生包裹体和缩短放肩周期的目的；采用小幅度(Δt=10 min)微调拉速(Δv=0.2 mm/h)和功率的策略, 可实现拉速(0~1.5 mm/h)的快速变化(1.5~2 h)而不影响晶体扩肩趋势和质量。使用优化后的热场和扩肩工艺, 获得了系列三英寸平肩同成分铌酸锂晶体, 晶体光学均匀性良好。

硼酸钙镧晶体是一种激光基质晶体, 以其优秀的物理特性而受到广泛关注。稀土离子掺杂的硼酸钙镧晶体在紫外激光器领域的研究尚不多见。本研究采用顶部籽晶法成功生长出尺寸为40 mm×21 mm×6 mm的铈掺杂硼酸钙镧晶体。研究了铈掺杂硼酸钙镧晶体室温光谱性质, 测量了室温下其透过光谱以及紫外-吸收光谱, 发现铈离子掺杂导致晶体在200~288 nm以及305~330 nm紫外波段吸收较强。测试了室温下铈掺杂硼酸钙镧晶体的激发光谱, 并且利用波长260 nm的连续光激发得到发射光谱, 发现主要发射带中心波长位于290, 304, 331和353 nm处, 对应于铈离子5d态到²F_5/2和²F_7/2态的跃迁。对铈掺杂硼酸钙镧晶体的热学性质进行了研究, 发现其在300 K下具有较高的热导率(6.45 W/(m·K)), 且随着温度升高保持良好的热稳定性。358 K条件下, 热膨胀系数及c方向的晶格常数分别为2.94×10^-6 /K和0.91240 nm, 随着温度升高至773 K，线性增加到5.3×10^-5 /K和0.91246 nm。研究结果表明：铈掺杂硼酸钙镧晶体具有良好的光学性能和热稳定性, 适合应用于紫外激光领域。

氟化钙晶体的抗辐照性能是其在深紫外光刻应用中的关键性能之一, 目前氟化钙晶体在193 nm激光辐照下的损伤过程尚不清楚。本文报道了193 nm激光辐照下氟化钙晶体的损伤行为及影响损伤的关键缺陷因素。通过193 nm激光辐照试验, 发现晶体损伤主要表现为晶体内部产生的辐照诱导色心与表面产生的辐照诱导损伤坑。通过紫外-可见分光光度计对辐照诱导色心分析, 并将不同色心吸收系数与Y杂质含量进行线性拟合。结果表明: Y离子具有与F心结构波函数发生重叠的低位轨道, 两者发生轨道杂化易形成色心稳定结构; 线性拟合结果表明Y离子含量与氟化钙晶体本征色心之间存在线性关系, 说明Y元素是影响色心形成的关键杂质离子。实验表征了辐照诱导损伤坑的元素分布和结构缺陷。EDS结果表明损伤坑处伴随着钙元素含量上升和氟元素含量下降, 证实H心扩散、F心聚集导致了辐照损伤; EBSD结果表明表面辐照损伤优先在位错处产生。因此, 降低杂质含量及位错密度是提高氟化钙晶体在193 nm激光下抗辐照损伤性能的重要途径。