氨热法 GaN 单晶生长及位错演变

1.GaN单晶衬底制备方法介绍

目前，制备GaN单晶衬底的方法主要有氢化物气相外延 (hydride vapor phase epitaxy，HVPE)法、氨热法和助熔剂法。HVPE 中可以用侧向外延生长技术和增加晶体生长厚度来降低位错密度，可将位错密度降低至 105cm-2量级。

助溶剂法中，Yang 等报道了随着生长厚度的增加，位错密度从108减到 105cm-2;Imanishi 等报道使用优化点籽晶的方法，抑制{10-11}面，实现侧向生长，降低位错密度；Yamauchi等报道通过调控低生长速度实现位错密度的降低。但是助熔剂法的原料活泼，会腐蚀坩埚， 生长过程中容易形成多晶。

氨热法是一种接近热力学平衡模式的生长方法， 氨热法的基本过程是：多晶GaN与超临界氨在原料区反应生成中间化合物，在温度梯度和浓度梯度驱动下，中间化合物在生长区发生分解，使得GaN浓度达到过饱和从而析出，最后在籽晶上生长。

根据添加的矿化剂种类的不同（为了增加氮化镓原料的溶解度），氨热法可以分为：碱性氨热法（IHP/NL3，SixPoint，）和酸性氨热法（Soraa/Kyocera， Tohoku/MCC）。日本通过 SCAAT™ (Super Critical Acidic Ammonia Technology)技术和 LPAAT(low-pressure acidic ammonothermal)技术制备的 c 面氮化镓位错密度在104cm-2左右；Key 等报道使用 NEAT(Near Equilibrium AmmonoThermal)技术使得晶体生长厚度增加从而将位错密度由106cm-2降至105cm-2， 这些报道表明了氨热法可以通过降低生长压力和增加晶体厚度来制备低位错密度的氮化镓单晶。

氨热法GaN侧向生长也可以降低位错密度， Grabianska 等报道了通过增大晶体生长区间和温差，可以提高侧向和 c 向的生长速度，发现侧向生长区没有应力诱导极化现象，位错密度低于籽晶区的位错密度；Sochacki 等报道了用氨热法在透镜状籽晶上生长 GaN，研究发现 GaN 由透镜状变成了六棱台，籽晶的部分位错会折射到侧向生长区，造成侧向生长区的位错密度比籽晶区低。然而，目前研究人员对 GaN 的侧向生长过程中的位错密度演变研究还不充分。

2. HVPE-GaN籽晶上氨热生长GaN单晶材料

在 HVPE-GaN 籽晶上氨热生长 GaN 单晶的材料，结合扫描电子显微镜详细分析了HVPE-GaN 籽晶上 GaN 的位错演变过程，发现侧向生长区垂直方向的位错密度低于籽晶区垂直方向的位错密度，并且当侧向生长超过25μm， 位错密度较籽晶区垂直方向降低2个数量级。研究GaN单晶的侧向生长，为解决在生长中位错密度增加的问题提供了可行的方案。

相关测试数据，如下：

图1 解理面的CL图及CL曲线

图2 籽晶区至侧向生长区的ｃ向位错密度演变。

(a)侧向生长区拼接图；(b)侧向生长区局部放大图；(c)位错密度演变趋势图

在图 2（b）中，可以明显看出，c 向籽晶生长区的位错密度高于侧向生长区。从图 2（c）的腐蚀坑数量演变趋势图中也可以看出，位于籽晶内部区域的位错随着靠近籽晶边界，腐蚀坑数量略微下降，在图 2（b）中的黄色虚线左侧，也可以看出籽晶内部位错密度分布不均；在距离分界线 5μm 处， 腐蚀坑数量开始下降， 在 5~15μm， 在同一量级， 当生长距离超过25μm 时， 腐蚀坑数量较籽晶内部垂直区域小了一个量级，从70 减少到 6， 位错密度从1×106 cm-2 降至 9×104 cm-2，侧向生长边缘的位错密度约为 1.5× 104 cm-2。这表明了侧向生长可以有效降低位错密度。在图 2(b)中也可以看出，c 面上位错沿着 a 向的分布低于沿着m 向的位错分布。在本团队早期实验报道中，c 面样品中 a 向的生长速度大于 m 向的生长速度，随着生长的进行，最后 a 向被 m 向合拢。我们猜测位错在生长过程中，受到生长各向异性的影响，最终产生在不同方向上有不同分布的现象。

图 3 氨热籽晶的位错演变图。

(a)生长前籽晶区位错；(b)生长后籽晶区位错

在氨热生长中，籽晶区的大部分位错会沿着 c 向延伸，极少部分会偏转到侧向区域的 c 向， 如图3所示；而相较于高位错密度的籽晶区， 侧向生长区的位错密度很低（没有从籽晶延伸过来的位错），侧向区的位错更多的是在氨热生长中自形成从而沿着c 向延伸，使得侧向生长区 c 向位错密度低于籽晶区的 c 向位错密度。

采用氨热法在 HVPE-GaN 籽晶上生长 GaN 单晶，对 GaN 位错的演变过程进行了探究。研究发现，籽晶内部的位错密度分布不均，沿 m 向分布呈现略微减小趋势， 同时a向位错分布低于m向位错分布；随着侧向生长进行，腐蚀坑密度逐渐下降，当侧向生长超过25μm 时，腐蚀坑数量下降 2 个数量级。对于侧向生长区位错密度研究还需要进一步实验分析。

3.GaN单晶衬底产业发展

目前，GaN单晶衬底厂家国内有苏州纳维，铜陵镓特等，产品包含2inch/4inch/6inch GaN衬底，并主要朝着6inch衬底进行研发和量产推广。GaN衬底在蓝光激光器以及GaN垂直功率器件有着广泛的应用，GaN衬底较低的位错密度一直是产品的品质追求，同时产品价格也要降下来，以满足器件应用的需求。END

素材来源：

夏政辉,李腾坤,任国强,等.氨热法GaN单晶生长的位错密度演变研究[J].人工晶体学报,2024,53(03)
:480-486.DOI:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.20240012.002.

来源：未来芯研究

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