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技术 | Technology – 外延

效率和可靠性，并最终导致低的良率和高的成本。
当 GaN 在硅薄膜上生长时，这些问题不再
是问题，因为应变较小。这降低了位错密度，使
得晶圆开裂最小化，并减轻或消除了对 AlN 或
AlGaN 缓冲层的需求。
薄膜还为设计带来了更多自由度。例如，有
可能从硅切换到锗，后者的晶格常数几乎与 GaAs
完全匹配。注意，对于任意一种薄膜，GaN 中的
缺陷密度都可能小于在硅衬底上生长时材料中的
缺陷密度。通过我们的方法，可以通过选择具有
纳米精度的厚度来控制薄膜的平滑程度。
几年前，当我们开发降低光伏电池成本的
工艺时，我们在玻璃上开发薄膜的努力就开始起
步了。当时，我们正在使用 Al 2 O 3 （蓝宝石）和
MgO 的织构缓冲层，我们的努力使得首次实现了
钠钙玻璃上的（111）c 轴取向的薄膜绝缘体。这 图3. 钠钙玻璃上450℃下生长的7μm MgO薄膜的电子背散射衍射（EBSD）图。图
像清楚地显示薄膜的晶粒（单晶）沿（111）平面高度取向。
是一个重要的里程碑，因为这种取向可以极大地
改善材料的电子性能。 以形成具有（111）择优取向的织构缓冲层。这是
其他小组也制备出了织构薄膜。然而，他们 我们非常希望得到的，因为它可以实现织构化的
使用离子束辅助沉积，这比我们申请专利的电子 硅或锗薄膜生长，从而大幅提高效率。我们还观
束蒸发方法昂贵得多。 察到，如果在低温晶体生长期间添加铝，则形成
最初的 MgO 薄膜就比我们期望的要好得多。 的薄膜是 p 型的，并且可以用作 p-n 结中的底部
我们预期会在 X 射线衍射扫描中看到单峰，以显 导电层。
示高的织构度。但我们其实还看到了第二个峰。 在这种结构中，绝缘 MgO 层可以用作铝硅
该峰平行于（111），也就是（222），显示出 MgO 薄膜的扩散层和织构促进层。此外也有可能在
（111）的生长，并且具有沿着 c 轴几乎完美的单 MgO 上生长硅的单晶纳米线。注意，由于纳米线
晶（111）排列。 在（111）方向上生长，因此薄膜的（111）取向
从那时起，我们用透射电子显微镜（见图 1 有助于实现这些纳米线垂直于衬底对齐排列。
和图 2），电子背散射衍射（见图 3），光学透射谱（见 我们生长的 MgO 与 c 轴对齐的单晶铟镓锌
图 4）和粘附力测试等方式仔细研究了我们的薄 氧化物（IGZO）平行，IGZO 的生长是由日本半
膜。总之，这些技术表明 MgO 在钠钙玻璃上具 导体能源实验室的 Shunpei Yamazaki 小组开创
有很高的织构，完全透明以及良好的粘附性。相 的。与我们的 MgO 一样，铟镓锌氧化物在是面
比通过离子束辅助沉积形成的 MgO，我们的薄膜 外织构，而不是面内，也就是说，晶体沿着 c 轴
仅有的劣势是，更昂贵的工艺可以形成具有双轴 而不是 a-b 轴排列对齐。然而，铟镓锌氧化物与
取向的薄膜。这使得后续膜层具有双轴织构，并 我们的 MgO 还有所不同，因为它沿 a-b 轴不是
且比通过我们电子束蒸发生长的膜层有更好的结 多晶。还有另一个关键的区别在于 ：铟镓锌氧化
晶质量。 物是半导体，而 MgO 是绝缘体。因此，在显示
在开发光伏器件时，我们发现电子束蒸发可 产业中，MgO 可以用作显示器中使用的薄膜晶

当镓在硅层上形成时，镓-硅共晶合金扩散到表面，通过仔细选择前体可以将氮

引入到镓从而形成GaN。这样就可以在高度结晶的膜上形成GaN（或者如果选
择铟和磷前体，则会是InP）。

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2019年第2期 27