由南京大學(xué)的研究團隊在學(xué)術(shù)期刊 Crystals 發(fā)布了一篇名為 Study of GaN Thick Films Grown on Different Nitridated Ga₂O₃ Films（不同氮化 Ga₂O₃ 薄膜上生長的 GaN 厚膜的研究）的文章。

1. 項目支持

本研究得到國家自然科學(xué)基金委員會（No. 62404097）、國家重點研發(fā)計劃（2022YFB3605204、2022YFB3605201）以及固態(tài)照明與節(jié)能電子學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)的支持。

2. 背景

氮化鎵（GaN）是制造 LED、高頻和功率電子器件的核心半導(dǎo)體材料。目前，GaN 外延生長主要依賴于藍寶石、SiC 或 Si 等異質(zhì)襯底，但這些襯底存在成本高、晶格失配大等問題。氧化鎵（Ga₂O₃）作為新興的寬禁帶半導(dǎo)體，其某些晶相與 GaN 具有較好的晶格匹配性，并且有望實現(xiàn)低成本的大尺寸襯底，因此被認為是 GaN 外延的一種有前景的替代襯底。在 Ga₂O₃ 上直接生長 GaN 非常困難，通常需要一個氮化預(yù)處理步驟，即用氨氣（NH₃）等氮源處理 Ga₂O₃ 表面，形成一層薄的 GaN 成核層，以利于后續(xù) GaN 的生長。然而，Ga₂O₃ 本身存在多種晶相（如同質(zhì)異形體），其中最穩(wěn)定的是 β 相，此外還有 ε 相等。不同的 Ga₂O₃ 初始晶相在經(jīng)過氮化處理后，形成的 GaN 成核層質(zhì)量以及對后續(xù) GaN 生長的影響可能存在巨大差異，這一點尚缺乏系統(tǒng)性的對比研究。

3. 主要內(nèi)容

本文中，對包括非晶態(tài) Ga₂O₃ 薄膜、β-Ga₂O₃ 以及 α-Ga₂O₃ 外延薄膜在內(nèi)的多種 Ga₂O₃ 薄膜進行了氮化處理，并在其表面轉(zhuǎn)化為單晶 GaN 層。盡管原始 Ga₂O₃ 薄膜的類型不同，但所有轉(zhuǎn)化后的 GaN 層均表現(xiàn)出 (002) 取向和多孔形態(tài)。采用鹵化物氣相外延（HVPE）方法，在氮化 Ga₂O₃ 薄膜上生長了約 200 µm 厚的 GaN 薄膜。拉曼光譜分析表明，所有生長于氮化 Ga₂O₃ 薄膜上的 HVPE-GaN 薄膜幾乎無應(yīng)力。在 GaN 厚膜與藍寶石襯底的界面處觀察到明顯的 GaN 多孔層/Ga₂O₃ 結(jié)構(gòu)。這些多孔 GaN 層可作為制備獨立式 GaN 襯底的理想模板。

4. 總結(jié)

采用 HVPE 法在氮化 Ga₂O₃ 薄膜上成功生長了無應(yīng)力 GaN 厚膜。通過在 NH₃ 氣氛下采用不同方法制備的 Ga₂O₃ 薄膜經(jīng)氮化處理后，形成了單晶 GaN 層。XRD 和 SEM 結(jié)果表明，所有轉(zhuǎn)化得到的 GaN 層均呈現(xiàn) (002) 取向，且具有多孔形態(tài)。通過準確量化轉(zhuǎn)化 GaN 層 E2 模式的拉曼頻率偏移，揭示了約 0.069 GPa 的應(yīng)力值。原生 HVPE-GaN 薄膜幾乎無應(yīng)力，且具有更強的光致發(fā)光（PL）強度。這些結(jié)果表明，通過更簡單、成本更低且重復(fù)性更好的方法可制備用于多孔 GaN 模板的 Ga₂O₃ 薄膜，這將有利于制備高質(zhì)量的應(yīng)力釋放獨立式 GaN 襯底。

圖1. S1–S3樣品（a）和NS1–NS3樣品（b）的XRD圖譜。轉(zhuǎn)換后GaN (002)和(102)晶面的FWHM值（c）。NS1–NS3樣品的拉曼光譜（d）。

圖2. S1–S3和NS1–NS3樣品的頂視SEM圖像。

DOI：

doi.org/10.3390/cryst15080719

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號