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GaAs衬底上MOCVD生长立方相GaN材料的生长速率 研究 徐大鹏杨辉郑联喜李建斌段丽宏王五嗣吴荣汉 (国家光电子工艺中心，北京申科院半导律所，100083) 摘要：本文首次报道在高温生长条件下用低压MCaTND崔OaAs(100)面的生立方相GaN 的外延膜生睦速率随时向裹减的特性。给出GaN，十延膜煦厚度同生收时间的非线性关系， 同时建立了同实验相符合的理论模型。我们着重分-析讨论生长温度及源的流量对这种非线 性关系影响。 ～引言 以GaN为基本材料的IJl一V族氮化物是昂’：重要的宽带隙半导钵材料之一。它彳『J特有 的带隙范嗣，优良的光电特性和优异的材料机榭i性质使其在光电器抖，电子器件以及特殊 条件下半导体器件等领域有着广泛的应用前景，引起了人们极大的兴趣(1，5】。然而由于没 有品格匹配的衬底，人们在各种各样衬底上生t，∈GaN材料，常用有蓝宝石，GaAs；【2，6-81， SIC[9]，MgO[10]等。尽管目前大多数器件是右!蓝宝石衬底完成的，但是监宝石衬底有它的 缺点：硬高高，不导电，这对随后器件工艺造，茂很大困难，而采用GaAs衬底可以克服这个 问题，因此我们采用低压MOCVD在GaAs(100)面生长立方相GaN．在GaAs(100)面上生 外延膜12，6．8】。本文对晶体生跃的一个重要多≥数．乡}延膜的生长速率进行系统的研究，发现 了生氏速率随生长时间衰减的现象，给_出G廿、I外延膜的厚度随时间变化理论嗣I实验的曲线． 并分折讨论了生跃温度及源的流量对其影响。 二实验 办商纯氨气藏气办氢气采用如下纳生长条件和步骤： 反应室匝力：$73x10’P《蛳狮仃) 源的流挺：18．外延层三乙基镓(FEG-a)20毫升，分钟(seem)NH3l200毫升份钟 6升粉钟h过渡层强E白s0毫升／分钟、N}b 《∞cm)姆2 800毫升／分钟(seeml 酣2 6毫升／分锌 ． 衬底处理：苜次将村底教次在三氯乙烯．’丙酮，无水乙醇溶剂进行处理中，然后硫酸： 水：双氰水(5：1：1)瘸蚀I之分神，再用去离子水冲洗干净。 生长步骤：衬底送入反应室后，在6SLM的H2气流中和800％高温处理f0分钟， · 然而降温至55 0Ilc生l睫GaN过渡层，GaN．外姬膜生长温度为800％或8300C。生长时间从20 分钟到7小时．这种两步法生长有利于提高CaN形貌及晶体质量。外延膜的厚度是州扫 描电镜浏凝的。 三结果和讨论 l GaN外延膜厚度与生氏时间的关系 陶1给出了生长温度分别为800％和9300c两种生长条件下GdN外延膜厚度随生K时 间的函数关系。从图上我们可以看到两个不同生长温度下GaN外延膜厚度同生K时问部不 是简单的线性关系·面是呈现明显非线性关系，然而这种非线性随着生陡温度不同而不同。 s：300e生长温度比800％生长有更强非线性。大家知道用MOCVD生长时，对一般、r导体材料 来说，外延层的厚度基本上同生长时间是成线性关系，所以可以较精确控制生长各种器件 结构·霹高温下在G甜域oo)上生长立方相GaN外延膜厚度与时间关系不是线性关系，冈 此存必要掐清楚其基理及函数关系。圈上还有另一特点：外延膜厚度到～定厚度时，曲线 基本为线性。荐考虑到曲线随温度升高而非线性增强的特点．我们认为导敛一怍线一陀旧根本 109 原因是GaAs衬底在高温下分解使衬底的Ga扩散到Gain外延膜的表面而参加外延的生 ’k。 。 2微分生长速率与外延膜厚度关系 图2给出了生长温度为8000c和8300c条件下微分速率随外延厚度变化的衰减关系。在 外延膜厚度较薄时生长速率较大．随着外延膜厚度增加，生长速率逐渐下降，到达某一厚 度后基本接近常数。两者棼本相等，以上实验事实可以说明以下儿点： (1)衬底Ga扩