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优化GaN晶体生长

2022/6/27 7:54:19      材料来源:化合物半导体

超高温氧气相外延有望简化体GaN晶体生长

 

来自日本的工程师通过将生长转移到非常高的温度,改善了用氧气相外延法生产的GaN晶体的质量。

 

他们的成功扩展了氧气相外延技术(OVPE)的前景,与现有的HPVE相比,OVPE具有一些优势。

 

与HVPE相比,OVPE的优点包括不存在固体副产物,如NH4Cl,并且由于加入了高浓度的氧气(作为施主),可以生产出高载流子浓度和低电阻率的材料。

 

日本团队发言人大阪大学的Shigeyoshi Usami告诉化合物半导体,最新突破的关键是建立预生长技术。

 

Usami解释道:“由于GaN在1300℃下分解,所以在如此高的温度下生长非常困难。”

 

然而,Usami说,通过引入预生长过程,他和他的同事现在可以抑制籽晶的分解,并在1300℃下生长GaN。

 

当这些工程师之前被限制在1250℃的生长温度下时,他们以大约100 µm/hr的生长速度生产出多晶GaN。当把温度提高到1300℃时,就几乎消除了多晶,同时使生长速度加倍。

 

在OVPE中,氧化镓和氨反应生成GaN;水和氢是副产品。气态氧化镓是通过氧化镓颗粒形成的。

 

为了生产体GaN,氧化镓和氨被引导到GaN籽晶,籽晶被放置在生长区中,并用电阻加热系统加热(见图)。

 

一旦籽晶的温度超过500℃,氨就会直接作用于其表面,以防止氮化镓分解。然而,籽晶温度高达1300℃还不够。在该温度下,在籽晶和外延层之间的界面上会形成空洞。

 

在这项最新的研究中,Usami及其同事表明,在加热期间引入Ga2O3气体可以防止籽晶在1300℃时分解。最初的成功来自于在1200℃和1250℃使用2.1 sccm的Ga2O3流量,在超过1250℃至1300℃范围之前增加到4.2 sccm。

 

扫描电子显微镜图像显示,在这些条件下生长的GaN在籽晶和外延层之间的界面上没有大凹坑、多晶和空洞。这些发现表明,Ga2O3气流阻止了GaN生长之前籽晶的分解。

 

第二组实验考虑了温度对高生长速率下多晶程度的影响。研究人员比较了1200 ℃,无任何Ga2O3气体的预生长流;在1250 ℃生长,当在1200℃和1250℃之间加热时,使用2.1 sccm的Ga2O3流速 ;以及之前用于1300℃的生长条件。

 

本研究期间产生的许多样品的扫描电子显微镜图像显示,在1200℃和1250℃时,GaN生长过程中Ga2O3气体流量越大,多晶程度越大。然而,在1300℃多晶密度不随Ga2O3气体流量的增加而增加,在195µm/hr的生长速度下可以制备出几乎没有多晶的GaN。

 

Usami认为有可能在更高的温度下生长GaN,例如1350℃,这将有助于加速生长。

 

“但是,温度越高,分解越严重,因此有必要精确优化预生长条件。”

 

该团队的目标是实现超过1 mm/hr的生长速度。

 

参考文献

 

A. Shimiz et al. Appl. Phys. Express 15 035503

Picture Caption: With oxygen vapour phase epitaxy, GaN is produced by reacting gallium oxide and ammonia. Water and hydrogen are by-products.

 

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