标准GaN外延生长流程

非极性a 面GaN 材料外延的成核过程及选区生长分析杨琳（厦门大学嘉庚学院，福建漳州363105）摘要：为解决以往侧向外延生长、侧壁横向外延生长等方法存在的缺陷问题，文章借鉴前人研究成果提出一种选用钛图形化r 面蓝宝石衬底直接外延GaN 的生长方法，先在衬底表面制备一层钛掩膜，再在孔洞内选择性外延GaN ，由此改善GaN 表面与晶体的质量，降低各向异性，并且成功制备出高质量、平整的a 面GaN 薄膜。

通过观察SEM 、RSMs 与Raman 测试结果可知，该方法能够有效减小合并厚度、降低工艺成本，具备良好适用价值。

关键词：非极性GaN ；r 面蓝宝石；成核过程；各向异性作者简介：杨琳（1987-），女，福建漳州人，主要研究方向：建筑节能减排，建筑环境与设备，无机非金属材料生长工艺与应用。

Metallurgy and materials1材料与过程1.1材料与方法选用二氧化硅图形化的蓝宝石衬底进行GaN 的直接外延，相较于其他方法将薄膜生长过程省略,将二氧化硅厚度设为150nm ,图形周期为10μm ,最终制备出厚度为10μm 的平整GaN 薄膜。

X 射线衍射仪测试结果表明,面内摇摆曲线半峰宽沿c 轴、m 轴的最低值分别为597arcsec 和457arcsec ,但合并厚度仍较大。

为实现工艺质量优化，文章提出一种在钛图形化衬底上外延生长非极性a 面GaN 薄膜的工艺技术，通过选取钛做图形，可充分利用钛金属层在热耗散、紫外反射率、电流注入等层面的性能优势，增强工艺可扩展性与可操作性，降低成本消耗，有效提高a 面GaN 晶体质量、改善各向异性问题。

1.2实验过程（1）钛孔阵图形制备在r 面蓝宝石衬底上进行钛图形化处理，主要需完成以下五个操作步骤：一是沉积钛膜，选取规格为2inch 的蓝宝石衬底，利用电子束蒸发镀膜机以0.1A /s 的镀率在衬底表面蒸镀一层5nm 厚的钛金属薄膜，降低薄膜粗糙度，并为后续腐蚀工艺控制预留充足条件。

GaN外延片的主要生长方法2008-1-14外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在，金属有机物化学气相淀积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)技术生长III-V族，II-VI族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。

II、III族金属有机化合物通常为甲基或乙基化合物，如：Ga(CH3)3，In(CH3)3，Al(CH3)3，Ga(C2H5)3，Zn(C2H5)3等，它们大多数是高蒸汽压的液体或固体。

用氢气或氮气作为载气，通入液体中携带出蒸汽，与V族的氢化物（如NH3，PH3，AsH3）混合，再通入反应室，在加热的衬底表面发生反应，外延生长化合物晶体薄膜。

MOCVD具有以下优点：用来生长化合物晶体的各组份和掺杂剂都可以以气态方式通入反应室中，可以通过控制各种气体的流量来控制外延层的组分，导电类型，载流子浓度，厚度等特性。

因有抽气装置，反应室中气体流速快，对于异质外延时，反应气体切换很快，可以得到陡峭的界面。

外延发生在加热的衬底的表面上，通过监控衬底的温度可以控制反应过程。

在一定条件下，外延层的生长速度与金属有机源的供应量成正比。

MOCVD及相关设备技术发展现状：MOCVD 技术自二十世纪六十年代首先提出以来，经过七十至八十年代的发展，九十年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料外延片制备的核心生长技术。

目前已经在砷化镓、磷化铟等光电子材料生产中得到广泛应用。

日本科学家Nakamura将MOCVD应用氮化镓材料制备，利用他自己研制的MOCVD设备(一种非常特殊的反应室结构)，于1994年首先生产出高亮度蓝光和绿光发光二极管，1998年实现了室温下连续激射10,000小时，取得了划时代的进展。

到目前为止，MOCVD是制备氮化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法，从生长的氮化镓外延片和器件的性能以及生产成本等主要指标来看，还没有其它方法能与之相比。

一般LED生长流程图3.3是一般LED的结构，由蓝宝石衬底、GaN缓冲层、N型掺杂GaN（N-GaN）、发光有源区、P型掺杂GaN（P-GaN）构成。

其中有源区下方的GaN的生长质量非常重要，是量子阱有源区生长的基础。

而GaN缓冲层到N-GaN的厚度约为2um，可以很好的用激光干涉仪监测。

图3.4是LED实际生长中的激光干涉曲线，横坐标为生长时间，纵坐标为激光干涉的相对反射强度。

在生长样品之前，首先将衬底置于氢气（H2）的环境中，在1100℃的条件下烘干10分钟，以便去除衬底表面的杂质及氧化物。

因为样品表面的杂质会在很大程度上影响生长的样品的质量。

如果衬底不是蜜蜂包装，最好在烘烤之前在比例为1:4的磷酸与硫酸的热溶液中刻蚀10分钟以去除杂质。

众所周知，在异质结构的外延生长中，衬底与外延材料的晶格匹配最重要。

但是GaN材料一直难以找到与之晶格匹配的饿衬底，目前普遍采用的蓝宝石衬底与GaN的晶格适配度达到17%。

直接高温生长很难保证GaN薄膜的生长质量。

因此首先在衬底上生长一层缓冲层成为这一问题的解决方法。

最常用的是通过两步生长法在蓝宝石衬底上生长GaN LED。

生长过程如下：清洁衬底之后，将衬底温度降到500℃～550℃，在蓝宝石衬底上低温生长一层缓冲层，缓冲层的厚度约为25 nm，如图3.4中a点至b点所示，反射激光的强度逐渐增加，由于生长的缓冲层厚度较小，反射曲线并没有一个周期。

25 nm 的缓冲层生长完成后即反射曲线到b点后，关闭TMGa源，将衬底温度升高到1070℃左右，温度升高，GaN晶体的质量提高，所以干涉曲线的反射率略有增加，如图3.4中的吧、点到c点之间所示。

随着温度的进一步升高，由于此时TMGa 源已关闭，25 nm的缓冲层GaN层逐渐分解，形成三维小岛状晶粒分布在蓝宝石衬底上。

粗糙的三维小岛表面使入射的激光散射，反射光强度减弱，因此干涉光强度增高到c点后迅速下降。

而这些三维小岛成为后续GaN层生长的成核层，提高了后续GaN薄膜的生长质量。

gan外延片工艺流程GAN外延片工艺流程是指将GaN材料在衬底上大面积生长的过程。

GaN外延片广泛应用于LED、激光器、功率器件等领域。

下面将详细介绍GAN外延片的工艺流程。

一、衬底制备衬底是GaN外延片的基础，常用的衬底材料有蓝宝石（sapphire）、氮化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等。

首先，需要对衬底进行表面处理，去除表面杂质和氧化物。

然后，在表面形成一个缓冲层，以减小晶格不匹配带来的应力。

二、预处理在衬底上进行外延生长之前，需要进行一些预处理步骤。

首先，对衬底进行加热处理，以去除表面吸附的杂质和氧化物。

然后，通过气相或溅射法在衬底表面形成一层薄膜，用于提高外延生长的质量和效率。

三、外延生长外延生长是GAN外延片制备的核心步骤。

常用的外延生长方法有金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）等。

这里以MOCVD方法为例进行介绍。

1. 气体准备：将金属有机前体和载气混合，形成外延生长所需的气体混合物。

常用的金属有机前体有三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）和氨（NH3）等。

2. 反应室准备：将衬底放置在反应室中，并通过加热使其达到适当的温度。

同时，将气体混合物引入反应室。

3. 外延生长：在适当温度下，金属有机前体会分解，释放出金属原子和氮气。

金属原子和氮气在衬底表面发生反应，生成GaN晶体。

通过控制反应气体的流量、反应温度和反应时间等参数，可以控制外延生长的速率和质量。

四、冷却和退火在外延生长完成后，需要对样品进行冷却和退火处理。

冷却过程中，需要控制降温速率，以避免样品的热应力破裂。

退火处理可以提高外延片的晶体质量和电学性能。

五、切割和抛光外延生长得到的大面积GaN片需要进行切割和抛光，得到所需的尺寸和表面质量。

切割可以使用分离剂将外延片从衬底上剥离下来，然后再进行机械抛光和化学机械抛光等工艺，使外延片表面光滑。

六、特殊处理根据不同的应用需求，外延片可能需要进行一些特殊处理。

同质衬底制备及MOCVD外延生长1.概述同质衬底是一种在外延生长过程中用于提供晶格匹配的基底材料，对于高品质薄膜的生长具有至关重要的作用。

MOCVD（金属有机化学气相沉积）外延生长技术则是一种常用的材料生长方法，通过MOCVD外延生长可以获得高质量、高晶质度的薄膜材料。

同质衬底制备及MOCVD外延生长技术的研究具有重要的理论和应用价值。

2.同质衬底制备同质衬底制备的关键在于选择合适的基底材料，并进行相应的前处理工艺，以确保获得高质量的衬底。

常见的同质衬底材料包括氧化镁、氧化铝、氧化锆等。

制备同质衬底的工艺包括材料粉末的制备、坯料的烧结、晶体生长等步骤，其中烧结工艺对于提高衬底的结晶质量至关重要。

3. MOCVD外延生长MOCVD外延生长是一种常用的薄膜生长技术，它通过将金属有机化合物和载气输送到衬底表面，利用化学气相反应形成所需材料的薄膜。

MOCVD外延生长技术具有高生长速率、高晶质度、成膜均匀性好等优点，并且适用于多种材料的生长。

在MOCVD外延生长过程中，反应温度、反应压力、外延速率、反应气氛等参数对生长薄膜的质量有着重要的影响。

4. MOCVD外延生长中的同质衬底应用在MOCVD外延生长过程中，同质衬底的选择对于提高薄膜的结晶质量和降低缺陷密度具有重要作用。

合适的同质衬底可以提供良好的晶格匹配，减小晶格失配引起的位错和应变，从而提高外延薄膜的质量。

同质衬底的表面形貌和化学性质对于外延薄膜的成核和生长也有着直接的影响。

5. 结论同质衬底制备及MOCVD外延生长技术是一项重要的研究课题，在新材料的开发和应用中具有广阔的前景。

未来的研究可以进一步探索改进同质衬底制备工艺，提高衬底的结晶质量和生长均匀性，优化MOCVD外延生长的参数和工艺，以满足对高质量薄膜材料的需求。

还可以开展同质衬底在其他生长技术中的应用研究，拓展同质衬底在材料生长中的应用领域。

希望该研究能够为新材料的研发和应用提供有益的参考。