【文章內(nèi)容簡介】 過程的影響。發(fā)現(xiàn)較高的動(dòng)能增加了原子在襯底表面的聚焦，減少了定向生長。由于粒子動(dòng)能的增加，使原子在襯底表面的遷徙動(dòng)速率增加，因此增加了凝結(jié)系數(shù)，增加了粒子的生長速率，也加速了粒子的接合，使粒子的密度迅速減少。斜入射蒸積把蒸發(fā)原子飛向襯底的方向和襯底法線之間的夾角稱為蒸發(fā)原子入射角。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)蒸發(fā)原子入射角不同時(shí)，引起原子在表面的遷移率改變，影響成核和隨后的生長，從而對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)有很大的影響，使薄膜產(chǎn)生各向異性。隨著結(jié)晶顆粒的增大，后入射的蒸發(fā)原子就逐漸沿著原子的入射方向在晶體上生長，于是會(huì)產(chǎn)生所謂自身陰影效應(yīng)，從而使薄膜表面凹凸不平，缺陷較多，并出現(xiàn)各向異性。膜的各向異性和柱狀生長由沉積原子入射方向和外來原子表面徙動(dòng)速率所控制。表面徙動(dòng)速率越高，各向異性的生長越小。在GaN 生長中，Nakamura 等人發(fā)現(xiàn)在他們的雙束流MOCVD 系統(tǒng)中，當(dāng)襯底基座與水平入射束偏離一個(gè)角度時(shí)，GaN 薄膜結(jié)晶質(zhì)量變差。襯底溫度襯底溫度對(duì)薄膜的生長是一個(gè)重要影響因素。襯底溫度會(huì)對(duì)薄膜生長的各個(gè)參數(shù)產(chǎn)生影響。例如粘附系數(shù)、表面徙動(dòng)速率、成核條件、臨界厚度（達(dá)到這個(gè)厚度膜變?yōu)檫B續(xù)的），以及無定形襯底上膜的結(jié)晶和取向，單晶襯底上單晶膜的外延生長質(zhì)量；還有襯底和膜材料之間的熱膨脹系數(shù)之差，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生等等。襯底溫度的選擇要視具體情況而定。一般來說，襯底溫度升高，會(huì)使吸附原子動(dòng)能隨著增大，跨越表面勢(shì)壘的幾率增多，容易晶化，并使薄膜缺陷減少。襯底溫度低，則易形成無定形結(jié)構(gòu)的薄膜。襯底溫度的調(diào)節(jié)是工藝參數(shù)優(yōu)化的一個(gè)很重要的方面，在氮化，緩沖層的生長以及外延生長過程中通過不斷改進(jìn)試驗(yàn)，在每一個(gè)生長階段選擇最佳的襯底溫度進(jìn)行外延生長。藍(lán)寶石襯底制作 GaN 外延最常用的襯底是藍(lán)寶石（αA2O3），其結(jié)構(gòu)為六方結(jié)構(gòu)和斜方結(jié)構(gòu)， 所示。作為襯底材料，藍(lán)寶石具有高溫下（1000℃）化學(xué)穩(wěn)定，容易獲得大尺寸，以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是它與GaN 之間存在著較大的晶格失配和熱膨脹失配，大的晶格失配導(dǎo)致在GaN 外延層中產(chǎn)生很高的位錯(cuò)密度（1010cm－2），而高的位錯(cuò)密度降低了載流子遷移率和少數(shù)載流子壽命，從而降低了熱導(dǎo)率；而熱失配會(huì)在外延層冷卻過程中產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，最終降低產(chǎn)品性能。藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率很低（，100℃），這和其它襯底材料相比不利于散熱。另外，藍(lán)寶石襯底不導(dǎo)電，器件電極不容易制作。但是，隨著生長技術(shù)的不斷改進(jìn)，目前已經(jīng)能在藍(lán)寶石上外延出高質(zhì)量的GaN材料，并已研制出GaN 基藍(lán)色發(fā)光二極管及激光二極管。在外延中，常用的晶面關(guān)系是 (0001)藍(lán)寶石//(0001)GaN 及[11?20]藍(lán)寶石//[10?10]GaN(晶格失配為16％左右)。由于襯底和外延層之間的晶格失配和熱膨脹失配，故而在外延GaN 之前可先行外延一層AlN 緩沖層。（a） （b） 藍(lán)寶石晶胞透視圖(a) 六方晶胞中沿[0001]晶向。（b）斜方晶胞中沿[0001]晶向Fig. Perspective views of sapphire crystal cell along various directions:(a) hexahedral crystal cell along [0001]。 (b) rhombic crystal cell along [0001]緩沖層由于襯底和外延層之間的晶格失配和熱膨脹失配，故而在外延 GaN 之前可先在低溫下先行外延一層緩沖膜。緩沖層的使用很大程度上提高了氮化鎵外延層的晶體質(zhì)量。緩沖層的成核及形成為準(zhǔn)二維生長，對(duì)提高氮化鎵外延層晶體質(zhì)量起著非常重要的作用。溫度實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)緩沖層的生長溫度對(duì)外延層形貌影響較大。緩沖層生長溫度的選擇，既要保證能夠在襯底上順利地結(jié)晶成核以形成氮化鎵晶體，又要使氮化鎵的生長盡可能按照二維生長模式進(jìn)行。緩沖層的生長溫度存在一定范圍，較低的生長溫度(550℃左右)有利于外延層的表面平整。表面極性緩沖層的表面極性決定了外延層的生長極性，Ga 面向上生長容易得到更好的外延層。因此增加TMGa 流量，生長富Ga 的緩沖層是提高外延質(zhì)量的有效方法。退火工藝一般認(rèn)為退火工藝也可以提高緩沖層的平整度，但退火會(huì)導(dǎo)致緩沖層極性的變化，從而引起外延層晶體質(zhì)量的降低。因此緩沖層的退火工藝還有待進(jìn)一步研究。多年來研究者試驗(yàn)過多種緩沖層，如SiC，AlN，GaAs，Al2O3，ZnO，GaN等，取得了很大的進(jìn)展，但是，在很多地方還不是很成熟，有待于進(jìn)一步研究。雜質(zhì)污染污染主要來源于反應(yīng)源氣體或殘余氣體中。通常氧和水氣是主要的污染成分。它的影響強(qiáng)烈依賴于污染物質(zhì)與材料的相互作用，因此要把系統(tǒng)中的氧和水氣減小到最小。第三章 藍(lán)寶石襯底表面預(yù)處理 由于缺乏與之匹配的襯底材料，外延GaN主要都是在異質(zhì)襯底上進(jìn)行，藍(lán)寶石是外延GaN薄膜的最為普遍的一種襯底材料，但由于它和六方GaN 外延層有很大的晶格失配（16%），熱膨脹系數(shù)也有較大的差異，在外延生長時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的晶體缺陷，為了降低GaN的晶體缺陷，通常先在襯底上生長晶格常量漸變或者突變的緩沖層，然后在外延生長GaN。藍(lán)寶石襯底的預(yù)處理腐蝕藍(lán)寶石化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被酸堿腐蝕，因此一般的酸堿腐蝕很難達(dá)到刻蝕使藍(lán)寶石表面產(chǎn)生腐蝕坑的目的，只能采取強(qiáng)酸強(qiáng)堿并提高腐蝕溫度的方法對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行加工，以實(shí)現(xiàn)GaN 薄膜的橫向外延生長機(jī)制。藍(lán)寶石襯底MOCVD 橫向外延過生長GaN 薄膜研究藍(lán)寶石襯底預(yù)處理腐蝕液的選擇熔融的KOH 是強(qiáng)堿性的，腐蝕性極強(qiáng)，使用時(shí)需要白金坩堝對(duì)固體的KOH 進(jìn)行加熱。通過使用熔融的KOH 對(duì)小片的藍(lán)寶石襯底樣品進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，很難控制腐蝕時(shí)間和KOH 的加熱溫度，粘稠的熔融KOH 坩堝底部和表面溫差很大，坩堝底部溫度高，在坩堝底部腐蝕的藍(lán)寶石襯底很容易過腐蝕，而且對(duì)2 英寸的藍(lán)寶石片進(jìn)行腐蝕，需要的白金坩堝尺寸很大，實(shí)驗(yàn)成本太高，無法實(shí)現(xiàn)。(0001)藍(lán)寶石襯底的雙晶X 射線衍射圖片F(xiàn)ig. Xray rocking curve of the (0001) sapphire substrate我們又采取了濃H3PO4 作為腐蝕液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，與KOH 相比，濃H3PO4 腐蝕速率慢很多，更易于控制腐蝕的程度，而且在使用恒定功率的電阻爐時(shí)濃H3PO4 升溫到一定程度后，可以基本保持恒溫，也很利于控制腐蝕進(jìn)程。也是基于這個(gè)特點(diǎn)我們把腐蝕溫度定在最容易保持穩(wěn)定的270177。10℃，而通過改變腐蝕時(shí)間的長短，來控制腐蝕程度，達(dá)到最適宜GaN 橫向外延生長的腐蝕坑的尺寸和均勻程度。藍(lán)寶石襯底的預(yù)處理腐蝕工藝研究取適量濃H3PO4 溶液倒入燒杯，然后使用1800w 電阻加熱爐升溫加熱腐蝕液，用耐高溫溫度計(jì)測(cè)量腐蝕液溫度。待濃H3PO4 溶液達(dá)到270177。10℃基本保持穩(wěn)定后，準(zhǔn)備腐蝕藍(lán)寶石襯底。通過初步試驗(yàn)，我們確定腐蝕時(shí)間變化區(qū)間為30～60 min，選取30min，40min，45min，50min，55min 和60min 六個(gè)腐蝕時(shí)間，分別對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行腐蝕。研究腐蝕時(shí)間對(duì)腐蝕形貌的影響。腐蝕后用去離子水沖洗干凈，用NaOH 溶液進(jìn)行堿洗，再用大量去離子水沖凈，用N2 吹干，用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察分析。 所示，～。發(fā)現(xiàn)隨著腐蝕時(shí)間的延長，三角形腐蝕坑尺寸逐漸變大，而腐蝕坑密度呈先增加后降低的趨勢(shì)。原因是：在腐蝕初期，隨著腐蝕的進(jìn)行，使更多的位錯(cuò)露頭處晶格被酸液破壞，三角形腐蝕坑越來越多；而隨著腐蝕繼續(xù)進(jìn)行，腐蝕坑逐漸增大，鄰近的腐蝕坑發(fā)生交疊、重合，直至最終大的腐蝕坑吞并小的，腐蝕坑數(shù)目減少，但減少的速度逐漸減慢。 藍(lán)寶石襯底的化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)Table Chemical Etching of Sapphire腐蝕時(shí)間（min）腐蝕坑平均密度(cm2）腐蝕坑平均尺寸（μm）30104840104154510420501042855104406010445圖 濃H3PO4 溶液腐蝕30 分鐘金相顯微鏡觀察圖 The metallograph of sapphire etched by H3PO4 for 30 minutes 濃H3PO4 溶液腐蝕40 分鐘金相顯微鏡觀察圖Fig. The metallograph of sapphire etched by H3PO4 for 40 minutes 濃H3PO4 溶液腐蝕45 分鐘金相顯微鏡觀察圖F