宽周期掩膜法HVPE侧向外延自支撑GaN的研究

Ⅲ-V族氮化物是当前十分热门的光电半导体材料之一，氮化镓(GaN)作为其中具有代表性的第三代半导体，具有高禁带宽度、直接带隙、导热性和稳定性好等优点，十分适合制备光电子器件和微波射频器件。GaN在传统生长过程中主要通过异质外延获得，这往往会产生晶格失配和热失配，给GaN带来严重的位错和应力。目前提高GaN晶体质量最广泛的方法是使用侧向外延技术。

近日，苏州大学曹冰教授课题组在《人工晶体学报》发表了题为《宽周期掩膜法HVPE侧向外延自支撑GaN的研究》的论文，该论文利用氢化物化学气相沉积，通过调控生长参数，在制备有宽周期二氧化硅掩膜的蓝宝石复合衬底上，侧向外延了约325 μm的氮化镓厚膜，通过胶带可以将其进行剥离形成自支撑衬底。同时通过二维的Wulff结构图研究了GaN生长过程中晶面的变化趋势。为生长可剥离的低位错密度自支撑GaN提供了新的思路。

论文题录●●

陈王义博,徐俞,曹冰,徐科.宽周期掩膜法HVPE侧向外延自支撑GaN的研究[J].人工晶体学报,2021,50(3):416-420.

CHEN W Y B, XU Y, CAO B, XU K. Epitaxial laterally overgrown free-standing GaN through HVPE by wide-period mask method[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2021, 50(3): 416-420.

//文章导读

作者首先将二氧化硅制备成高掩膜宽度（窗口宽度20 μm/掩膜宽度280 μm）的宽周期掩膜，为后续侧向外延GaN做准备。

图1 (a)SiO2掩膜制成后的衬底SEM照片；窗口(b)和掩膜区域(c)的EDX图

利用HVPE，主要通过调控生长温度，最终在1120 ℃侧向外延获得了约325 μm的GaN厚膜（见图2）。

图2 (a~c)940 ℃，1040 ℃和1120 ℃下生长的GaN表面SEM照片；(d)1120 ℃下生长的GaN截面SEM照片

结合二维的Wulff结构图（见图3）可以用来分析不同生长温度下GaN晶体生长中晶面的变化，反映出在GaN的晶体生长过程中，侧向生长一直存在且保持了一定的生长速率，而其他方向的生长则在过程中逐渐消失，最后GaN通过侧向合并形成平整厚膜。

图3 (a,b)940 ℃下生长GaN截面SEM照片；(c)1040 ℃下生长的GaN截面SEM照片；(d)~(f)根据(a)~(c)绘制的二维Wulff结构图

通过CL和XRD（见图4）两种方法得到的GaN厚膜位错密度相接近，相比于原始衬底6.0×108 cm−2的位错密度，有了将近一半的降低。

图4 (a)1120 ℃下生长的GaN表面CL图；(b,c)GaN(002)，(102)的XRD图谱

对生长完成后的GaN厚膜，使用导电胶粘紧厚膜表面后撕下，得到了剥离后的自支撑GaN。可以看到在界面处有一层空气间隔，作者推测空气间隔是GaN在宽掩膜周期上的侧向外延中出现的，这也使得剥离GaN更加容易（见图5）。

图5 (a)剥离后的衬底表面SEM照片；(b)GaN与衬底界面处的SEM照片