红外与激光工程
2024, 53(2): 20230567
1 广东省科学院中乌焊接研究所,广东省现代焊接技术重点实验室,广东 广州 510650
2 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室,吉林 长春 130012
3 北京大学东莞光电研究院,广东 东莞 523808
金刚石作为一种具有独特优异性能的半导体材料,在光学和电子学领域具有重要的应用价值。目前生长金刚石最常用的方法是化学气相沉积(CVD)法,采用该方法制备的金刚石薄膜通常为多晶结构,表面粗糙度高、颗粒大的缺点制约了金刚石薄膜的应用。笔者提出了飞秒-纳秒-离子束刻蚀的复合抛光方法并采用该方法对CVD金刚石薄膜进行抛光。结果表明:经飞秒-纳秒激光刻蚀后,金刚石表面粗糙度降低得十分明显,由未刻蚀时的4 μm降至0.5 μm左右,但表面出现了明显的石墨化现象;进一步采用离子束刻蚀去除表面的石墨层,最低可将表面粗糙度降至0.47 μm。所提方法实现了金刚石表面的无改性平滑抛光,为金刚石表面微纳器件的发展奠定了基础。
超快激光 金刚石薄膜 激光抛光 离子束刻蚀 粗糙度 中国激光
2024, 51(16): 1602210
1 河北工业大学 先进激光技术研究中心,天津 300401
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室,天津 300401
金刚石晶体不仅具有极佳的光学性质,同时也拥有极高的热导率和低的热膨胀系数,这使得金刚石激光器成为实现不受热影响高功率激光输出的重要路径。但随着激光功率的进一步提升,金刚石拉曼激光器中仍然存在不可忽视的热效应等问题,这对金刚石激光器性能提升提出了挑战。针对高功率运转情况下金刚石拉曼激光器的热效应进行了理论研究,根据热传导方程并采用有限元分析方法,模拟了金刚石温度、热应力以及热形变分布,分析了泵浦参数、晶体参数对金刚石温度、热应力、热形变的影响。此外,基于石墨片横向导热特性,设计了一种新型的用于金刚石晶体的热沉结构。与传统单一铜片散热方式相比,在泵浦功率800 W、束腰半径40 μm条件下,金刚石中心温度下降了10.16 K,下表面平均应力降低了19.857 MPa,端面平均形变量减小了0.055 μm。数值模拟结果表明,该方法对缓解金刚石激光的热效应,实现金刚石拉曼激光器输出功率的进一步提升和高光束质量激光输出具有重要指导意义。
金刚石 拉曼激光器 高功率 热效应 数值仿真 热沉 diamond Raman laser high power thermal effect numerical simulation heat sink
1 1.北京科技大学 新材料技术研究院, 北京 100083
2 2.北京科技大学 顺德创新学院, 佛山 528399
3 3.北方工业大学 机械与材料工程学院, 北京 100144
均匀生长大尺寸光学级金刚石膜一直是微波化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)金刚石研究领域的热点和难点, 沉积台的结构与位置对于金刚石膜均匀性以及厚膜生长的长期稳定性至关重要。本研究通过COMSOL模拟结合实验研究了沉积台高度对衬底表面电场均匀性、等离子体状态和温度均匀性的影响规律, 优化了光学级金刚石膜均匀生长的工艺参数, 在最佳沉积台高度(2 mm)下沉积得到的2英寸金刚石膜(最大厚度337 μm), 厚度不均匀性<11%, 从膜中心到边缘的拉曼半峰全宽为3~4 cm-1, 可见光波段内最高透过率为69%~70%, 10.6 μm处红外透过率为70%。结果表明: 金刚石膜的厚度和品质较为均匀, 实现了两英寸光学级金刚石膜的均匀沉积。沉积台高度对衬底表面的电场分布、等离子体形状和温度分布都有一定影响, 随着沉积台高度增加, 衬底表面电场分布均匀性和温度均匀性得到明显改善, 且衬底表面的等离子体分布更均匀, H原子和含碳基团的浓度增加。
光学级金刚石膜 温度均匀性 红外透过率 沉积台高度 COMSOL模拟 optical grade diamond film temperature uniformity infrared transmittance deposition platform height COMSOL simulation
1 1.哈尔滨工业大学 航天学院, 哈尔滨 150000
2 2.深圳市恒运昌真空技术有限公司, 深圳 518000
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。
MPCVD 单晶金刚石生长 等离子体 生长参数优化 MPCVD single crystal diamond growth plasma optimization of growth parameters
1 北京科技大学 新材料技术研究院,北京 100083
2 郑州航空工业管理学院 河南省航空材料与应用技术重点实验室,河南 郑州 450046
3 天津津航物理技术研究所,天津 300308
稀土掺杂可以有效地改变基体材料的结构并提高使用性能。利用磁控溅射法在单晶硅和多晶CVD金刚石上分别制备了未掺杂及La掺杂的Y2O3薄膜,研究了La掺杂氧化钇(Y2O3)增透薄膜的组成、结构及性能。X射线光电子能谱(XPS)和掠入射X射线(GIXRD)研究表明,金属La与O相互作用,以La-O化合物形式存在于Y2O3薄膜中,未掺杂的Y2O3薄膜呈现立方(222)面柱状晶体取向,随着La掺杂功率的增加,开始出现新的单斜Y2O3相(111)晶面。从扫描电镜(SEM)观察到不同La掺杂功率下Y2O3薄膜呈现柱状晶结构,结晶质量较好。由原子力显微镜(AFM)证实,与未掺杂的Y2O3薄膜相比,La掺杂的Y2O3薄膜具有较低的粗糙度(RMS)值。在La掺杂的Y2O3薄膜中,随着La浓度的增加,柱状晶的晶粒尺寸显著减小。在8~12 μm的长波红外范围内,La掺杂后的Y2O3/金刚石薄膜最大透过率为80.3%,与CVD金刚石相比,透过率提高19.8%。颗粒细小的La掺杂Y2O3薄膜具有较高的硬度和弹性模量,硬度由未掺杂(12.02±0.37) GPa增加到(14.14±0.39) GPa,弹性模量由(187±14) GPa 增加到(198±7.5) GPa。结果表明,与未掺杂Y2O3薄膜相比,La掺杂的Y2O3薄膜在保持较高红外透过率条件下,通过细晶强化获得了更高的硬度,有利于提升砂蚀、雨蚀等冲刷性能。
CVD 金刚石 Y2O3增透膜 La掺杂 透过率 CVD diamond Y2O3 anti-reflection film La doping transmittance 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230240
光子学报
2023, 52(12): 1214001
1 中国电子科技集团公司第二十九研究所,成都610036
2 四川省宽带微波电路高密度集成工程研究中心,成都610036
为了降低直调电/光转换组件的功耗,以对组件的散热分析结论为基础,提出一种降低直调电/光转换组件功耗的封装方法,即对组件变形敏感的区域采用传统的柯伐合金材料,对半导体制冷器(TEC)底部要求快速散热的区域则采用热导率较高的金刚石铜材料。仿真与测试结果表明:所提出的方法可以降低TEC 热端面与组件底面之间的温差、TEC的冷热两端面温差、TEC的电流和TEC自身产生的功耗;在工作温度为70 ℃时,电/光转换组件的单通道功耗从传统封装方式的2.875 W降低到1.25 W,功耗降低了56.5%。
电/光转换组件 半导体制冷器 金刚石铜 功耗 electrical/optical conversion module, semiconducto
金刚石作为超宽禁带半导体材料的代表,逐渐成为大家关注的热点。尽管在材料制备、器件研制与性能方面取得了一定进展,但其半导体掺杂技术至今没有很好解决。氢终端金刚石由于具有典型的二维空穴气而被广泛应用于微波功率器件的研究,但其存在稳定性不佳、界面态浓度较高等问题。相比而言,近年来出现的硅终端(C-Si)金刚石具有比氢终端(C-H)金刚石更低的界面态密度、更高的阈值电压、载流子密度和稳定性等优点,有望解决氢终端金刚石半导体器件的问题。硅终端金刚石电子器件表现出高阈值电压的增强型特性,其机制尚不明确。本文从氢终端金刚石的结构、导电机理出发,分析限制其发展的主要问题,并综述了硅终端金刚石的导电机理、制备方法以及相应的界面结构,初步分析了硅终端MOSFETs的性能水平,最后阐述了目前硅终端金刚石发展存在的问题并展望了其发展前景。
硅终端金刚石 金刚石半导体 场效应管器件 silicon-terminated diamond diamond semiconductor field-effect transistor devices