GaN外延生长方法及生长模式
01gan 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个为镓源，nh3个为氮源，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
氢化物气相外延法 在金属镓上流过hcl,形成gacl蒸汽，当他流到衬底上，与氨气反应，沉积形成gan。 ①生长速度快②可以比较精确地控制膜厚 ①高温反应对生产设备、生产成本和技术要求都比较高。
金属有机物气相沉积法 气体或者固体分子在高温下热裂解生成团簇，通过载气扩散到基片上，在催化剂的作用下排列、反应、生长、沉积。 ①适合于工业化生产②gan晶体质量好 ①过程比较复杂②反应速率影响因素多③温度高，原材料消耗大
分子束外延法 在真空中亿原子束或分子束溅落到衬底上，并在衬底上按一定的结构有序排列，形成晶体薄膜。 ①生长温度低②生长反应过程简单③实时监控生长表面的结构、成分和膜厚，均匀性较好 ①生长速率慢②不能满足大规模商业化生产的要求③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
制备方法 外延生长过程 优点 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。
02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σ我之和远小于衬底材料的表面自由能σ秒时，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p秒<σf+p我时，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σ我之和略大于或者略小于衬底材料表面自由能σ小号时，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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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个为镓源，nh3个为氮源，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
氢化物气相外延法 在金属镓上流过hcl,形成gacl蒸汽，当他流到衬底上，与氨气反应，沉积形成gan。 ①生长速度快②可以比较精确地控制膜厚 ①高温反应对生产设备、生产成本和技术要求都比较高。
金属有机物气相沉积法 气体或者固体分子在高温下热裂解生成团簇，通过载气扩散到基片上，在催化剂的作用下排列、反应、生长、沉积。 ①适合于工业化生产②gan晶体质量好 ①过程比较复杂②反应速率影响因素多③温度高，原材料消耗大
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制备方法 外延生长过程 优点 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。
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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
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2.2 volmer-weber 生长模式
当p秒<σf+p我时，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σ我之和略大于或者略小于衬底材料表面自由能σ小号时，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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