简述GaN 外延生长要领及生长模式

宣布时间：2023-06-13 21:57来源：半导体信息

GaN 异质衬底外延生长要领

由于GaN在高温生长时N的离解压很高，很难获得大尺寸的GaN单晶质料，因此，为了实现低本钱、高效、高功率的GaN HEMTs器件，研究人员经过几十年的不绝研究，并不绝实验利用差别的外延生长要领在Si衬底上实现高质量的外延生长GaN基质料。GaN质料的生长是在高温下，通过TMGa剖析出的Ga与NH3的化学反应实现的，生长GaN需要一定的生长温度，且需要一定的NH3分压。

目今GaN的外延生长要领有：氢化物外延生长法（HVPE）]、分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积法（MOCVD），其特点如下表2-1所示。

1.1 金属有机物气相沉积法（MOCVD）

MOCVD（金属有机物气相沉积法）是在气相外延生长的基础上生长起来的一种新型气相外延生长技术。在接纳MOCVD法制备GaN单晶的古板工艺中，通常以三甲基镓作为镓源，氨气作为氮源，以Si作为衬底，并用氢气和氮气的混淆气体作为载气，将反应物载入反应腔内，加热到一定温度下使其爆发反应，能够在衬底上生成GaN的分子团，在衬底外貌上吸附、成核、生长，最终形成一层GaN单晶薄膜。接纳MOCVD法制备的产量大，生长周期短，适适用于大批量生产，但生长完毕后需要进行退火处理，最后获得的薄膜可能会保存裂纹，会影响产品的质量。

1.2 分子束外延法（MBE）

用MBE法（分子束外延法）制备GaN与MOCVD法类似，主要的区别在于镓源的差别。MBE法的镓源通常接纳Ga的分子束，NH3作为氮源，制备要领与MOCVD法相似，也是在衬底外貌反应生成GaN。用该要领可以在较低的温度下实现GaN的生长，一般为700 ℃左右。较低的温度可以有效减少反应设备中NH3的挥发水平，但低温使得分子束与NH3的反应速率减小。较小的反应速率可以在制备历程中对生成GaN 膜的厚度进行精确控制，有利于对该工艺中的生长机理进行深入研究，但关于外延层较厚的膜来说反应时间会比较长，在生产中发挥的效率欠佳，因此该要领只能用于一次制备少量的GaN薄膜，尚不可用于大规模生产。

1.3 氢化物气相外延法（HVPE）

HVPE（氢化物气相外延法）与上述两种要领的区别照旧在于镓源，此要领通常以镓的氯化物GaCl3为镓源，NH3为氮源，在衬底上以1000 ℃左右的温度生长出GaN晶体。用此要领生成的GaN晶体质量比较好，且在较高的温度下生长速度快，但高温反应对生产设备，生产本钱和技术要求都比较高。

接纳以上古板要领制备GaN薄膜，对其质量优劣的主要影响因素是Si与薄膜晶格的相配水平。欲制备无缺陷的薄膜，首先要满足两者之间尽量小的晶格失配度；其次，两者的线膨胀系数也要相近。

表1-1 GaN外延生长要领的优缺点

经太过析了差别的GaN外延生长要领，虽然分子束外延技术可以在较低的温度下实现GaN的生长，其生长反应历程简单，可以实时监控生长外貌的结构、身分和膜厚，生长温度低，均匀性较好，可是由于这种要领的生长速率较慢，可以精确地控制膜厚，不可满足大规模商业化生产的要求，并且当接纳等离子体辅助方法时，容易造成高能离子关于薄膜的损伤。而金属有机化学气相沉积法的生长速率适中，可以比较精确地控制膜厚，特别适合于工业化生产GaN基外延质料，这种要领目前已经成为使用最多、外延生长质料和器件质量最高的要领。

异质外延生长的基本模式

一般来讲，异质外延有三种生长模式：Frank-van der Merwe 生长模式（层状生长模式）、Volmer-Weber生长模式（岛状生长模式）和Stranski-Krastanow生长模式（先层状生长再岛状生长）[30-32]，这三种生长模式如图4-1所示。

2.1 Frank-van der Merwe 生长模式

层-层生长模式一般爆发于晶格常数比较匹配，晶格失配较小，衬底与外延层之间的键能较高的两种异质质料之间。当外延层质料的的外貌自由能σf与界面能σi之和远小于衬底质料的外貌自由能σs时，衬底质料将很是强烈地趋于完全笼罩衬底外貌（即层-层生长模式），也就是外延层与衬底浸润，因为今生长模式会使整个体系的总外貌自由能降低。于是沉积物质会先在衬底外貌二维成核再扩展成层，然后在一层生长结束后再进行下一层的生长，如此按逐层生长的模式进行。

2.2 Volmer-Weber 生长模式

当σs<σf+σi时，外延层与衬底外貌不可形成浸润层，为了使外貌能降低以使外延层质料的外貌面积最小化，外延层质料会在衬底外貌形成许多三维小岛。随着外延层质料沉积的继续进行，这些众多的小岛逐渐长大形成柱状岛，并相互汇聚，最终形成外貌粗糙的薄膜。在岛状结构中会有释放应变爆发的失配位错，岛与岛之间保存着小角度的取向差别，在相互汇聚时会爆发位错密度很高的界限层。

2.3 Stranski-Krastanow生长模式

当外延层质料的外貌自由能σf与界面能σi之和略大于或者略小于衬底质料外貌自由能σS时，外延生长会大大依赖于衬底与外延层之间的晶格匹配情况。GaN在蓝宝石衬底上的异质外延生长就属于此种情况。一开始生长时外延层质料与衬底浸润，先形成几个原子层厚度的浸润层。随着沉积的进行，应变逐渐积累，最后会通过形成三维岛的形式来释放应力。由于应变能不是通过形成位错来释放的，所以小岛中不含有位错。

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