降低蓝宝石上外延GaN的缺陷密度

一种无机掩膜可以实现超高质量的GaN外延层结构

最近开展的一项国际合作项目小组在蓝宝石衬底上制作了一种难以置信的超高质量GaN外延层。这项制备工艺仅需要单步外延生长就可以实现。

来着加州大学洛杉矶分校的谢tahong说：“我们希望这项关键技术可以运用到那些需要高性能材料的器件结构上。这些器件包括激光器、限制功率缩放的功率晶体管、超低暗电流的光电探测器以及固态照明用的LED等。”

谢的研究小组于来自北京大学的研究人员一起合作，通过一种无机盐的掩膜技术可以阻挡穿透位错，制作的GaN薄膜的位错可以达到7x105cm^-2。

他最初利用这种形式的掩膜可以追溯到2001年，当时是想将这种结构利用到横向外延上用以减小位错。不管怎样，他还是利用这项技术降低了位错。

由于简化了外延生长工艺，器件制造商们可以利用这项掩膜技术用以降低生产成本。更重要的是，和采用传统的过度生长技术的GaN材料相比，由于缺陷高度密集区域减少了四倍以上，例如闭合层等，芯片制造商也将会从中获益。

在外延生长GaN薄膜生长工艺中，谢和他的研究同伴最初通过在蓝宝石上采用CVD的方法先外延一层100nm厚的SiN_x，通过标准的光刻工艺就会形成[11-20]晶面取向，然后再在该掩膜上生长200nm的SiO₂和SiN_x。

图1:  SiO_²和SiN_x形成的复合无机掩膜的生长、光刻以及蚀刻

这样就会形成另一组的SiNx条纹，与之前较低的窗口层分离并且形成一定的偏移（见图1）。最后采用氢氟酸去腐蚀暴露在较低窗口层的蓝宝石。研究人员在这样一个无机掩膜层上，在530℃下生长25nm的成核层，然后在1040℃下生长外延层，获得了高质量的氮化镓外延层（见图2）。

图2: 由于掩膜阻挡了穿透位错，形成了高质量的GaN外延层

在掩膜的边缘充斥着Ga空位，这样就会形成GaN的岛状结构。而掩膜的中心区域，材料的晶体质量比较高，这是由于完全闭合的GaN成核层形成了类似镜面的平整表面。

实验结果表明，与传统的蓝宝石上外延GaN相比，这种掩膜上生长的外延层其X射线衍射的半高宽要更窄，缺陷密度少好几个数量级，电致发光高16倍以上。还有一项基于中美间国际合作的项目是与台湾的成功大学合作，要在这种低缺陷衬底上生长激光器及LED等。