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Si(111)衬底上GaN外延的MOCVD生长及其应力研究
摘要
高品质氮化镓（GaN）薄膜是实现氮化镓基器件的关键。外延生长是制备GaN薄膜的主流方法之一。本文主要研究在Si（111）衬底上使用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）生长GaN外延薄膜的方法和技术，探究了其中应力的来源和影响因素。我们发现，外延生长过程中，GaN薄膜表面晶格的匹配度会影响应力的大小，而气氛中的沉积气体和衬底温度也对GaN的应力有着不同程度的影响。本研究为GaN外延生长的优化提供了可靠的理论和实验依据。
关键词：GaN；MOCVD；应力；外延生长；Si（111）衬底
Abstract
High-qualitygalliumnitride(GaN)thinfilmsarethekeytoachievingGaN-baseddevices.EpitaxialgrowthisoneofthemainmethodsforpreparingGaNthinfilms.Thispapermainlystudiesthemethodandtechnologyofusingmetalorganicchemicalvapordeposition(MOCVD)togrowGaNepitaxialfilmsonSi(111)substrates,andexploresthesourceandinfluencingfactorsofstress.WefoundthatthematchingdegreeofthesurfacelatticeoftheGaNfilmwillaffectthesizeofthestressduringtheepitaxialgrowthprocess,andthedepositiongasintheatmosphereandthesubstratetemperaturealsohavedifferentdegreesofinfluenceonthestressofGaN.ThisstudyprovidesareliabletheoreticalandexperimentalbasisfortheoptimizationofGaNepitaxialgrowth.
Keywords:GaN;MOCVD;stress;epitaxialgrowth;Si(111)substrate
1.引言
氮化镓（GaN）作为一种新型半导体材料，已经广泛应用于多个领域，如发光二极管（LED）和高功率电子器件[1-2]。为了实现高品质的GaN薄膜，外延生长技术成为一种主要的制备方法。而Si衬底则是GaN外延生长中常用的基底材料之一，具有低成本和成熟的半导体工艺[3]。然而，GaN薄膜生长过程中会存在应力，这对薄膜结构、电学性能和长期可靠性等方面都会产生影响[4-5]。因此，研究GaN薄膜的应力问题，是实现高品质GaN器件制备的重要基础。
本文主要研究在Si（111）衬底上使用MOCVD生长GaN外延薄膜的方法和技术，探究应力的来源和影响因素。在实验中，我们对衬底表面处理、沉积气氛、衬底温度等因素进行了详细的探究，并使用X射线衍射仪（XRD）和拉力机等测试设备对GaN薄膜的结构和应力进行了分析和测试。
2.实验方法
2.1Si（111）衬底的制备
我们采用标准的化学气相沉积（CVD）方法合成SiC薄膜。将该薄膜片表面经过化学清洗（HCl/H2O2/H2O），然后进行热处理（1200℃，10h）。
2.2GaN薄膜的生长
我们在制备好的SiC衬底上使用MOCVD生长GaN薄膜。生长过程的详细条件如下：气氛为氮气（N2）和甲基铝(AlMe3)混合气体，SiC衬底温度为1180℃，反应时间为1h。在不同的生长条件下，我们制备了多个GaN薄膜样品。
2.3测试方法
我们使用了XRD检测GaN薄膜样品的结构信息，并使用拉力机测量样品的应力情况。
3.结果与分析
3.1衬底表面处理的影响
在实验中，我们对两个不同的SiC衬底表面进行了处理：一个是通过水热法表面氧化的衬底；另一个是没有经过表面处理的衬底。结果发现，通过水热法进行表面氧化的衬底，可以降低GaN薄膜中（0002）和（0004）衍射峰的强度，表明表面氧化可以影响GaN薄膜的生长情况。同时，我们还发现，那些在未经表面氧化处理的SiC衬底上生长的GaN薄膜应力更大。这表明，表面氧化的衬底有助于降低外延生长过程中的应力。
3.2气氛中的沉积气体对应力的影响
我们分别在氢气气氛和N2气氛中生长GaN薄膜，并对比了两者的应力情况。结果发现，在氢气气氛中生长的GaN薄膜表现出更大的应力。这可能是由于在氢气气氛中，AlMe3分解得更快而且生成的氢气会影响生长过程中的化学反应，从而导致更多的应力。
3.3温度对应力的影响
我们分别在不同的