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  基础知识    
简述GaN 外延生长方法及生长模式
作者:cmh        来源:半导体产业网 
日期:2023-06-15    阅读次数:1168
副标题:

        据半导体产业网,于2023年06月08日报道,简述GaN 外延生长方法及生长模式。

        GaN 异质衬底外延生长方法

        由于GaN在高温生长时N的离解压很高,很难得到大尺寸的GaN单晶材料,因此,为了实现低成本、高效、高功率的GaN HEMTs器件,研究人员经过几十年的不断研究,并不断尝试利用不同的外延生长方法在Si衬底上实现高质量的外延生长GaN基材料。GaN材料的生长是在高温下,通过TMGa分解出的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。

       当前GaN的外延生长方法有: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发展起来的一种新型气相外延生长技术。在采用MOCVD法制备GaN单晶的传统工艺中,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合气体作为载气,将反应物载入反应腔内,加热到一定温度下使其发生反应,能够在衬底上生成GaN的分子团,在衬底表面上吸附、成核、生长,最终形成一层GaN单晶薄膜。采用MOCVD法制备的产量大,生长周期短,适合用于大批量生产,但生长完毕后需要进行退火处理,最后得到的薄膜可能会存在裂纹,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不同。MBE法的镓源通常采用Ga的分子束,NH3作为氮源,制备方法与MOCVD法相似,也是在衬底表面反应生成GaN。用该方法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的挥发程度,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过程中对生成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,但对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,因此该方法只能用于一次制备少量的GaN薄膜,尚不能用于大规模生产。


      1.3 氢化物气相外延法(HVPE)

       HVPE(氢化物气相外延法)与上述两种方法的区别还是在于镓源,此方法通常以镓的氯化物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。用此方法生成的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,生产成本和技术要求都比较高。

       采用以上传统方法制备GaN薄膜,对其质量好坏的主要影响因素是Si与薄膜晶格的相配程度。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外延生长方法的优缺点

       经过分析了不同的GaN外延生长方法,虽然分子束外延技术可以在较低的温度下实现GaN的生长,其生长反应过程简单,可以实时监控生长表面的结构、成分和膜厚,生长温度低,均匀性较好,但是由于这种方法的生长速率较慢,可以精确地控制膜厚,不能满足大规模商业化生产的要求,而且当采用等离子体辅助方式时,容易造成高能离子对于薄膜的损伤。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基外延材料,这种方法目前已经成为使用最多、外延生长材料和器件质量最高的方法。


       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-层生长模式一般发生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材料之间。当外延层材料的的表面自由能σf与界面能σi之和远小于衬底材料的表面自由能σs时,衬底材料将非常强烈地趋于完全覆盖衬底表面(即层-层生长模式),也就是外延层与衬底浸润,因为此生长模式会使整个体系的总表面自由能降低。于是沉积物质会先在衬底表面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,外延层与衬底表面不能形成浸润层,为了使表面能降低以使外延层材料的表面面积最小化,外延层材料会在衬底表面形成许多三维小岛。随着外延层材料沉积的继续进行,这些众多的小岛逐渐长大形成柱状岛,并彼此汇聚,最终形成表面粗糙的薄膜。在岛状结构中会有释放应变产生的失配位错,岛与岛之间存在着小角度的取向差别,在彼此汇聚时会产生位错密度很高的边界层。


        2.3 Stranski-Krastanow生长模式

        当外延层材料的表面自由能σf与界面能σi之和略大于或者略小于衬底材料表面自由能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材料与衬底浸润,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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