GaN外延生長方法及生長模式

01GaN 異質(zhì)襯底外延生長方法

由于GaN在高溫生長時N的離解壓很高，很難得到大尺寸的GaN單晶材料，因此，為了實現(xiàn)低成本、高效、高功率的GaN HEMTs器件，研究人員經(jīng)過幾十年的不斷研究，并不斷嘗試利用不同的外延生長方法在Si襯底上實現(xiàn)高質(zhì)量的外延生長GaN基材料。GaN材料的生長是在高溫下，通過TMGa分解出的Ga與NH3的化學反應實現(xiàn)的，生長GaN需要一定的生長溫度，且需要一定的NH3分壓。

當前GaN的外延生長方法有：氫化物外延生長法（HVPE）]、分子束外延（MBE）和金屬有機化學氣相沉積法（MOCVD），其特點如下表2-1所示。

1.1 金屬有機物氣相沉積法（MOCVD）

MOCVD（金屬有機物氣相沉積法）是在氣相外延生長的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型氣相外延生長技術(shù)。在采用MOCVD法制備GaN單晶的傳統(tǒng)工藝中，通常以三甲基鎵作為鎵源，氨氣作為氮源，以Si作為襯底，并用氫氣和氮氣的混合氣體作為載氣，將反應物載入反應腔內(nèi)，加熱到一定溫度下使其發(fā)生反應，能夠在襯底上生成GaN的分子團，在襯底表面上吸附、成核、生長，最終形成一層GaN單晶薄膜。采用MOCVD法制備的產(chǎn)量大，生長周期短，適合用于大批量生產(chǎn)，但生長完畢后需要進行退火處理，最后得到的薄膜可能會存在裂紋，會影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.2 分子束外延法（MBE）

用MBE法（分子束外延法）制備GaN與MOCVD法類似，主要的區(qū)別在于鎵源的不同。MBE法的鎵源通常采用Ga的分子束，NH3作為氮源，制備方法與MOCVD法相似，也是在襯底表面反應生成GaN。用該方法可以在較低的溫度下實現(xiàn)GaN的生長，一般為700 ℃左右。較低的溫度可以有效減少反應設(shè)備中NH3的揮發(fā)程度，但低溫使得分子束與NH3的反應速率減小。較小的反應速率可以在制備過程中對生成GaN 膜的厚度進行精確控制，有利于對該工藝中的生長機理進行深入研究，但對于外延層較厚的膜來說反應時間會比較長，在生產(chǎn)中發(fā)揮的效率欠佳，因此該方法只能用于一次制備少量的GaN薄膜，尚不能用于大規(guī)模生產(chǎn)。

1.3 氫化物氣相外延法（HVPE）

HVPE（氫化物氣相外延法）與上述兩種方法的區(qū)別還是在于鎵源，此方法通常以鎵的氯化物GaCl3個為鎵源，NH3個為氮源，在襯底上以1000 ℃左右的溫度生長出GaN晶體。用此方法生成的GaN晶體質(zhì)量比較好，且在較高的溫度下生長速度快，但高溫反應對生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)成本和技術(shù)要求都比較高。

采用以上傳統(tǒng)方法制備GaN薄膜，對其質(zhì)量好壞的主要影響因素是Si與薄膜晶格的相配程度。欲制備無缺陷的薄膜，首先要滿足兩者之間盡量小的晶格失配度；其次，兩者的線膨脹系數(shù)也要相近。

表1-1 GaN外延生長方法的優(yōu)缺點

經(jīng)過分析了不同的GaN外延生長方法，雖然分子束外延技術(shù)可以在較低的溫度下實現(xiàn)GaN的生長，其生長反應過程簡單，可以實時監(jiān)控生長表面的結(jié)構(gòu)、成分和膜厚，生長溫度低，均勻性較好，但是由于這種方法的生長速率較慢，可以精確地控制膜厚，不能滿足大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的要求，而且當采用等離子體輔助方式時，容易造成高能離子對于薄膜的損傷。而金屬有機化學氣相沉積法的生長速率適中，可以比較精確地控制膜厚，特別適合于工業(yè)化生產(chǎn)GaN基外延材料，這種方法目前已經(jīng)成為使用最多、外延生長材料和器件質(zhì)量最高的方法。

02異質(zhì)外延生長的基本模式

一般來講，異質(zhì)外延有三種生長模式：Frank-van der Merwe 生長模式（層狀生長模式）、Volmer-Weber生長模式（島狀生長模式）和Stranski-Krastanow生長模式（先層狀生長再島狀生長）^[30-32]^，這三種生長模式如圖4-1所示。

2.1 Frank-van der Merwe 生長模式

層-層生長模式一般發(fā)生于晶格常數(shù)比較匹配，晶格失配較小，襯底與外延層之間的鍵能較高的兩種異質(zhì)材料之間。當外延層材料的的表面自由能σF與界面能σ我之和遠小于襯底材料的表面自由能σ秒時，襯底材料將非常強烈地趨于完全覆蓋襯底表面（即層-層生長模式），也就是外延層與襯底浸潤，因為此生長模式會使整個體系的總表面自由能降低。于是沉積物質(zhì)會先在襯底表面二維成核再擴展成層，然后在一層生長結(jié)束后再進行下一層的生長，如此按逐層生長的模式進行。

2.2 Volmer-Weber 生長模式

當p秒<σF+p我時，外延層與襯底表面不能形成浸潤層，為了使表面能降低以使外延層材料的表面面積最小化，外延層材料會在襯底表面形成許多三維小島。隨著外延層材料沉積的繼續(xù)進行，這些眾多的小島逐漸長大形成柱狀島，并彼此匯聚，最終形成表面粗糙的薄膜。在島狀結(jié)構(gòu)中會有釋放應變產(chǎn)生的失配位錯，島與島之間存在著小角度的取向差別，在彼此匯聚時會產(chǎn)生位錯密度很高的邊界層。

2.3 Stranski-Krastanow生長模式

當外延層材料的表面自由能σF與界面能σ我之和略大于或者略小于襯底材料表面自由能σ小號時，外延生長會大大依賴于襯底與外延層之間的晶格匹配情況。GaN在藍寶石襯底上的異質(zhì)外延生長就屬于此種情況。一開始生長時外延層材料與襯底浸潤，先形成幾個原子層厚度的浸潤層。隨著沉積的進行，應變逐漸積累，最后會通過形成三維島的形式來釋放應力。由于應變能不是通過形成位錯來釋放的，所以小島中不含有位錯。