人工晶体学报

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• 氧化镓薄膜外延生长、掺杂调控与缺陷控制研究进展

  陈一宏, 周晓庆, 徐文静, 于悦, 赵意茹, 杨珍妮, 董鑫, 贾志泰, 陈端阳, 齐红基, 张洪良

  氧化镓作为典型的超宽禁带半导体材料，在高功率电子器件领域展现出重要应用前景，而外延薄膜中的掺杂调控与缺陷控制是制约其器件性能提升的关键科学与技术问题。本文聚焦β相氧化镓外延薄膜，对不同外延方式的基本原理及技术特点进行了系统性综述，并围绕不同外延生长技术中背景载流子抑制、n型掺杂精确控制、厚膜生长与缺陷演化机制等核心问题，系统总结和评述了近几年的代表性研究进展。同时从物理机理角度分析了氧化镓p型掺杂长期受限的内在原因，并归纳了不同晶型氧化镓异质外延的最新探索。最后，结合现有技术瓶颈，对氧化镓大尺寸生长、厚膜外延及缺陷控制的发展方向进行了展望。

• 915 MHz微波等离子体化学气相沉积装置及其金刚石膜沉积研究进展

  任国钊, 陈良贤, 安康, 刘宇晨, 解承东, 黄珂, 胡耀彬, 刘金龙, 魏俊俊, 李成明

  915 MHz微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）是制备高性能、大尺寸金刚石膜的核心技术，对推动金刚石膜在终极半导体、高端热沉及光学窗口等领域的应用具有不可替代的作用。该技术凭借其低频率波长优势，在实现高功率、大面积沉积及无电极污染方面展现出巨大潜力，但同时也面临着大面积金刚石膜的均匀性控制难度大、等离子体模拟复杂，以及装备成本高昂等关键技术挑战。本文系统综述了915 MHz MPCVD技术的发展，着重对比分析了椭球式、环形天线式及狭缝耦合式等主流装置的设计原理和优劣势，及其相应的金刚石膜沉积工艺参数。最后指出，915 MHz MPCVD装置及金刚石膜沉积技术未来突破的关键在于面向半导体应用的大尺寸异质外延单晶金刚石制备、高功率微波装备的可靠性提升，以及融合电磁学、流体力学与化学反应热力学和动力学的跨尺度精准模拟。

• RE2SiO5 (RE=Sc, Y, La)结构稳定性及掺杂效应的理论研究

  姜千玥, 李如康

  稀土硅酸盐RE2SiO5（RE为稀土）在激光、闪烁体、热障涂层和量子存储等领域都具有重要应用。该系列化合物通常表现出两种不同的相结构：X1型（低温相，空间群P21/c）和X2型（高温相，空间群C2/c）。每种结构包含两个独特的稀土离子占据位点，其配位数（CNs）各不相同。为了更好地理解这些化合物的相结构相对稳定性及掺杂稀土离子的优先占据位点，本文借助第一性原理计算软件CP2K和计算速度较快且结构优化结果较好的PBEsol泛函对该系列化合物进行了理论计算研究。结构优化和数据分析后发现，色散力矫正对于正确预测RE2SiO5两相之间的相对结构稳定性起着至关重要的作用。此外，系统研究不同尺寸的稀土离子在Y2SiO5中掺杂行为的结果表明，在两种相中，Y1位点（X1型的配位数为9，X2型的配位数为7）更倾向于被尺寸较大的离子，如La3+占据；而尺寸较小的离子，如Sc3+在Y2位点（X1型的配位数为7，X2型的配位数为6）则表现出更高的稳定性。本文的研究为这类晶体的结构特性和掺杂机制提供了一定的参考价值。

• 不同格位取代Ca3TaGa3Si2O14晶体的生长及其高温压电性能研究

  张慧, 李婷婷, 田东阳, 彭向康, 高珍珍, 王国良, 刘子健, 李妍璐, 于法鹏

  硅酸镓镧系列晶体因具有较高的电阻率和优异的压电性能，被认为是目前高温压电传感器用优选材料。本文以Ca3TaGa3Si2O14 （CTGS）晶体为主要研究对象，通过提拉法分别生长出A格位（Ca位）Sr取代的（Sr x Ca1-x ）3TaGa3Si2O14 （SCTGS）晶体与C格位（Ga位）Al取代的Ca3Ta（Ga1-x Al x ）3Si2O14 （CTGAS）晶体，并研究了不同格位取代后晶体的高温电弹性能。研究表明，Sr取代能够显著提高CTGS晶体的相对介电常数ε11T/ε0和压电常数d11（4.84 pC/N@25 ℃）及d14（-20.17 pC/N@25 ℃）；而Al取代能够提高晶体的高温电阻率及电学性能的温度稳定性。两种取代策略均能有效提升CTGS晶体的高温电弹性能，为高温压电传感器用核心敏感元件的研发提供了材料基础。

• 基于新型几何结构的二维声光Q开关设计与性能研究

  许智宏, 张雪封, 王城强, 王帅华, 吴少凡

  二维声光Q开关是激光调Q系统的核心器件，其性能直接影响激光脉冲的质量。本文提出一种基于新型几何结构的二维声光Q开关设计，旨在解决传统直角三棱柱结构器件中回返声波干扰、衍射光斑畸变、调制波形出现台阶状畸变及水冷结构复杂等问题。该设计通过重构熔融石英材质的声光晶体几何形状，使声波在晶体中形成特定的反射路径，确保声波在首次正交后，其反射路径在空间上自动错开，从而规避回返声波对实际主工作区的干扰问题。同时，新设计将传统三面水冷结构简化为两个主要水冷块，在轻微提高晶体加工精度要求的前提下，大幅降低了封装组装难度与整体成本。结果表明，当工作光波长为1 064 nm、有效通光孔径为3 mm×3 mm （矩形）、双路射频驱动功率均为47 W的条件下，该器件的二维衍射效率达98.5%，衍射光斑呈规则网格分布，调制波形纯净无台阶状畸变。热稳定性测试证实，尽管工作温度较传统结构有所升高，但其衍射效率与波形在长期工作中保持稳定。本工作为解决声光器件中的回返声波干扰问题提供了一条具有普适性的设计路径，在保证高性能的同时，实现了器件的紧凑化与工艺的简化。

• 高衍射效率声光调制器的设计与实现

  王城强, 许智宏, 邹林儿, 卢浩, 王帅华, 吴少凡

  本文系统设计、制备和验证了一款具有高衍射效率、大孔径的声光调制器（AOM），该AOM的工作波长设计为1 064 nm，有效孔径为10 mm，工作中心频率为80 MHz，并选用低吸收石英作为声光介质，高效铌酸锂作为压电换能器。同时，本文完成优化设计及键合工艺，结合压块贴片导热、导电方案，实现了98.4%的衍射效率，该AOM同时具备优秀的光束质量和光束指向稳定性。本研究为高功率激光应用提供了关键的高性能光学器件。

• 微量锂金属诱导氮化镓外延层与蓝宝石衬底完整自分离研究

  张敏, 姜永京, 肖继宗, 谢胜杰, 刘南柳, 王琦, 童玉珍, 张国义, 王新强, 刘强

  基于异质衬底制备的氮化镓器件已广泛应用于通信和消费电子行业。然而，尖端研究仍聚焦于采用自支撑氮化镓单晶衬底的同质外延器件开发，旨在利用同质外延技术更优越的材料特性来进一步提升器件性能。在众多氮化镓衬底制备技术中，钠助熔剂法被视为下一代大尺寸商用氮化镓单晶衬底的主流候选制造技术之一。本文报道的基于钠助熔剂法的工艺技术，在生长熔体中加入的微量锂金属可在生长过程中缓慢溶解蓝宝石衬底，此过程与在生长边缘不断积累的应力协同作用，最终实现了蓝宝石衬底与氮化镓外延层完整的自分离。该技术成功实现了毫米级无裂纹氮化镓单晶的制备，生长所得氮化镓单晶表面呈现镜面特征，并可观察到毫米尺度的六方形小丘显微形貌。本文报道的自分离工艺有助于开发工艺步骤更为简化的基于钠助熔剂法制备氮化镓单晶衬底的技术路线。

• P-NiO/ β -Ga2O3异质结横向肖特基势垒二极管电学特性仿真研究

  刘晋花, 余建刚, 李子唯, 李旺旺, 杨晓利, 雷程, 梁庭

  氧化镓（β-Ga2O3）因宽禁带、高临界击穿电场及低成本衬底优势在功率器件领域有广阔应用前景。由于P型掺杂技术瓶颈制约了β-Ga2O3同质结肖特基势垒二极管（SBD）的发展，本文提出以P-NiO代替P型β-Ga2O3的P-NiO/β-Ga2O3异质结SBD结构。通过Sentaurus TCAD软件，重点研究了P-NiO掺杂浓度、P-NiO厚度（W）及阳极长度（La）对器件电学性能的影响。结果表明：P-NiO掺杂浓度的增加导致耗尽区扩展到β-Ga2O3材料一侧，致使电场分布均匀性提升，在P-NiO掺杂浓度为3×1018 cm-3时性能最优，此时比导通电阻（Ron，sp）为1.411 mΩ·cm2，反向击穿电压为3 312.2 V，功率品质因数（PFOM）为7.77 GW/cm2；进一步优化La和W，缓解了边缘电场集中效应，最终器件Ron，sp降低至0.823 mΩ·cm2，反向击穿电压提升至3 638.3 V，PFOM达到16.08 GW/cm2。本文的结构为高性能β-Ga2O3 SBD的设计研制提供了理论依据。

• 体缺陷主导的少子寿命衰减：光伏用n型Cz硅片高温行为机理与抑制策略

  王鹏飞, 张远方, 欧子杨, 王钊, 陈占仓, 林瑶

  硅片少子寿命在经历光伏电池高温工艺后普遍出现急剧衰减，这严重制约了电池效率的进一步提升。为阐明其潜在机理，本研究通过系统的热处理实验，结合少子寿命、光致发光（PL）、傅里叶变换红外光谱等表征手段，对光伏用n型直拉（Cz）硅片的高温行为进行了研究。结果表明，高温处理导致的少子寿命与PL强度大幅衰减主要源于体复合缺陷的显著增加，与表面状态及工艺气氛关联较弱。此外，热处理过程中硅片内间隙氧向沉淀氧转化，且在氧气氛围下伴有环境氧的净渗入。综合分析表明，原生硅片中存在的氧沉淀胚核在高温工艺中被激活并生长，形成具有高复合活性的氧沉淀，这是导致少子寿命衰减的主要原因。基于“氧沉淀胚核选择性激活与生长”的机理，本研究提出通过优化晶体冷却热历史抑制胚核生成，以及利用快速热退火消融已有缺陷的两种优化策略。

• 硒化锑空穴迁移率的第一性原理研究

  张冷, 黄佳健, 申辉, 吴孔平

  硒化锑（Sb2Se3）以原料丰富、无毒、稳定等优势，成为一种前景广阔的薄膜光伏材料。尽管Sb2Se3光电转换效率已取得长足进步，但其背后的载流子输运机理，尤其是限制空穴迁移率的关键散射机制仍不清晰。针对此问题，本研究采用第一性原理密度泛函理论（DFT）结合玻尔兹曼输运理论，量化分析了声学形变势（ADP）散射、电离杂质（IMP）散射及极性光学声子（POP）散射对空穴迁移率的贡献，计算得到的室温空穴迁移率为42.8 cm2·V-1·s-1。研究发现，在105~650 K温度区间，极性光学声子散射是限制Sb2Se3空穴迁移率的主导机制；迁移率沿三个主要晶向（x， y， z）表现出明显的各向异性，y轴方向上迁移率最高，z轴方向上迁移率最低。同时发现：低载流子浓度下，空穴迁移率随着载流子浓度增加基本不变；高载流子浓度下，空穴迁移率随着载流子浓度增加而降低。该研究阐明了Sb2Se3空穴迁移率的影响因素，为其性能优化提供了一定理论依据。