1 1.山东大学 新一代半导体材料研究院, 晶体材料国家重点实验室, 济南 250100
2 2.齐鲁工业大学(山东省科学院) 材料科学与工程学院, 济南 250353
相比于第一代和第二代半导体材料, 第三代半导体材料具有更高的击穿场强、电子饱和速率、热导率以及更宽的带隙, 更适用于制备高频、大功率、抗辐射、耐腐蚀的电子器件、光电子器件和发光器件。氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表之一, 是制作蓝绿激光、射频微波器件和电力电子器件的理想衬底材料, 在激光显示、5G通信、相控阵雷达、航空航天等领域具有广阔的应用前景。氢化物气相外延(Hydride vapor phase epitaxy, HVPE)方法因生长设备简单、生长条件温和和生长速度快而成为制备GaN晶体的主流方法。由于普遍使用石英反应器, HVPE法生长获得的非故意掺杂GaN不可避免地存在施主型杂质Si和O, 使其表现出n型半导体特性, 但载流子浓度高和导电率低限制了其在高频大功率器件中的应用。掺杂是改善半导体材料电学性能最普遍的方法, 通过掺杂不同掺杂剂可以获得不同类型的GaN单晶衬底, 提高其电化学特性, 从而满足市场应用的不同需求。本文介绍了GaN半导体晶体材料的基本结构和性质, 综述了近年来采用HVPE法生长高质量GaN晶体的主要研究进展; 对GaN的掺杂特性、掺杂剂类型、生长工艺以及掺杂原子对电学性能的影响进行了详细介绍。最后简述了HVPE法生长掺杂GaN单晶面临的挑战和机遇, 并展望了GaN单晶的未来发展前景。
氮化镓 氢化物气相外延 掺杂 晶体生长 综述 gallium nitride hydride vapor phase epitaxy doping crystal growth review
1 中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
氮化铝(AlN)是一种重要的超宽禁带半导体材料。本文研究了采用氢化物气相外延(HVPE)方法生长氮化铝的表面形貌演化和生长机理。AlN的制备过程是氮化处理后以700~1 100 ℃的不同温度生长, 得到四组不同温度下的表面形貌。结果表明, 生长温度对AlN的生长形貌和生长模式具有重要的影响。AlN的生长形貌体现在纳米尺度和微米尺度的形貌差异, 该结果归因于受生长温度主导的Al原子的表面迁移能力和位错演化。另外, 在900 ℃生长温度下得到具有倒金字塔结构的V坑形貌。V坑面为{10-11}半极性面, 并遵循三维(3D)生长模式。这种具有半极性面微观形貌的AlN可作为模板进行半极性紫外LED器件结构或其他Ⅲ族氮化物外延生长, 在光电子器件和电子器件研制方面具有广阔的应用前景。
超宽禁带半导体材料 氮化铝 氢化物气相外延 生长温度 表面形貌 ultra-wide bandgap semiconductor aluminum nitride hydride vapor phase epitaxy growth temperature surface morphology
1 南京邮电大学 电子与光学工程学院, 南京 210023
2 南京大学 电子科学与工程学院, 南京 210023
使用数值模拟的方法, 对氢化物气相外延(HVPE)生长α-Ga2O3材料的温度和反应源气流进行了优化。区别于传统的在反应腔内HCl或Cl2携带Ga源的结构, 使用了外置Ga源的方法, 可以较准确地调整GaCl/GaCl3的组分占比、摩尔分数和浓度。另外, 使用分子模拟软件Gaussian计算得到GaCl3与O2反应的活化能, 通过实验数据拟合得到α-Ga2O3相变为β-Ga2O3的反应活化能。在此基础上, 对生长温度、GaCl/GaCl3的组分占比进行了模拟, 并给出了α-Ga2O3的优化生长条件。
氢化物气相外延 数值模拟 Gaussian软件 活化能 外置Ga源 生长温度 组分占比 α-Ga2O3 α-Ga2O3 HVPE numerical simulation Gaussian software activation energy external Ga source growth temperature proportion of components
1 苏州大学光电科学与工程学院, 苏州纳米科技协同创新中心, 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室和教育部现代光学技术重点实验室, 苏州 215006
3 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 苏州 215123
GaN膜在传统生长过程中主要通过异质外延获得, 这往往会产生晶格失配和热失配, 给GaN带来严重的位错和应力。目前降低位错最广泛的方法是使用侧向外延技术。在这项工作中, 首先在蓝宝石基GaN衬底上沉积了一层SiO2, 并用光刻的方法将其制备成高掩膜宽度(窗口宽度20 μm/掩膜宽度280 μm)的宽周期掩膜, 再通过氢化物气相外延(HVPE)侧向外延了厚度为325 μm的GaN厚膜, 通过胶带可以将其进行剥离形成自支撑衬底。同时通过二维的Wulff结构图研究了GaN生长过程中晶面的变化趋势。宽周期掩膜法对于生长可剥离的低位错密度自支撑GaN有着重大意义。
自支撑GaN 侧向外延 氢化物气相外延 宽周期掩膜法 半导体 free-standing GaN epitaxial laterally overgrown HVPE wide-period mask method semiconductor
1 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，苏州 215123
2 苏州纳维科技股份有限公司，苏州 215123
氮化镓(GaN)晶体是制备蓝绿光激光器、射频微波器件以及电力电子等器件的理想衬底材料，在激光显示、5G通讯及智能电网等领域具有广阔的应用前景。目前市场上的氮化镓单晶衬底大部分都是通过氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)方法生长制备的，在市场需求的推动下，近年来HVPE生长技术获得了快速的发展。本论文综述了近年来HVPE方法生长GaN单晶衬底的主要进展，主要内容包含HVPE生长GaN材料的基本原理、GaN单晶中的掺杂与光电性能调控、GaN单晶中的缺陷及其演变规律和GaN单晶衬底在器件中的应用。最后对HVPE生长方法的发展趋势进行了展望。
氢化物气相外延生长 氮化镓 晶体生长 掺杂 光电性能 缺陷 hydride vapor phase epitaxy GaN crystal growth doping optical and electrical property defect
中国电子科技集团公司第四十六研究所, 天津 300220
8~12 μm长波红外波段激光在红外对抗系统、测距和瞄准系统、痕量气体监测、频谱分析和无线通信等多个领域具有重要的应用价值。随着红外固体激光器的波长不断向长波长扩展, 急需长波红外非线性光学材料。但是CdSe、GaSe、ZnGeP2、AgGaSe2、LiInSe2、CdGeAs2、BaGa4Se7等非线性光学晶体受长波红外透过率、非线性系数、热导率、泵浦源波长的影响, 而通过发展OP-GaAs、OP-GaP、OP-ZnSe等性能优异的准相位匹配材料来实现长波激光输出有望克服上述材料的缺点。本文主要对长波红外用准相位匹配材料进行梳理, 分别从材料性能、制备技术, 以及激光应用等方面综述它们的研究进展并对其应用潜质和技术瓶颈进行分析。
准相位匹配 键合法 取向图案化 氢化物气相外延法 取向图案化砷化镓 quasi-phase matching wafer bonding orientation-patterned hydride vapor phase epitaxy OP-GaAs
1 南京邮电大学 电子与光学工程学院， 南京 210023
2 南京大学 电子科学与工程学院， 南京 210023
建立了用于生长直径为15.24cm(6inch)的Ga2O3材料的氢化物气相外延(HVPE)生长腔的二维几何模型，对Ga2O3材料的生长进行了数值模拟。依次优化了GaCl进气速度、O2进气速度、喷口到衬底间的距离等关键参数，在较高生长速率下使衬底上的Ga2O3膜厚相对均匀度达到7.02%。此外，对仿真中不同的反应活化能设置进行了对比实验，发现活化能参数虽然对平均生长速率有明显影响，但是对样品的生长速率分布及均匀性影响不大。
氢化物气相外延 计算机仿真 流速 活化能 Ga2O3 Ga2O3 HVPE computer simulation flow rate activation energy
1 南京信息工程大学物理与光电工程学院, 江苏 南京210044
2 江苏省光电信息功能材料重点实验室, 南京大学电子科学与工程学院, 江苏 南京210093
3 南京晓庄学院生物化工与环境工程学院, 江苏 南京211171
对在c面蓝宝石上用氢化物气相外延法（HVPE）生长的六方相纤锌矿结构的GaN膜中的应力进行了分析。 高分辨X射线衍射（002）面和（102）面摇摆曲线扫描（半高宽数值分别为317和358角秒）表明生长的GaN膜具有较好的晶体质量。 利用高分辨X射线衍射技术准确测量了制备的GaN膜的晶格常数, 并计算得到GaN膜中面内双轴应变和面外双轴应变分别为3.37×10-4和-8.52×10-4, 等静压应变为-7.61×10-5。 拉曼光谱和激光光致发光谱测试表明HVPE-GaN外延膜具有较好的光学特性, 利用拉曼光谱的E2模式特征峰和激光光致发光谱中近带边发射峰的频移定量计算了外延膜中的面内双轴压应力和等静压应力。 两种方法得到的面内双轴压应力较为相符。
氮化镓 氢化物气相外延 拉曼光谱 激光光致发光谱 应力 GaN Hydride vapor phase epitaxy Raman spectra Photoluminescence Strain 光谱学与光谱分析
2013, 33(8): 2105
