氮化鎵半導(dǎo)體材料的反應(yīng)方程式
GaN材料的生長是在高溫下，通過TMGa分解出的Ga與NH3的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，其可逆的反應(yīng)方程式為：
Ga+NH3=GaN+3/2H2
生長GaN需要一定的生長溫度，且需要一定的NH3分壓。人們通常采用的方法有常規(guī)MOCVD(包括APMOCVD、LPMOCVD)、等離子體增強(qiáng)MOCVD（PE—MOCVD）和電子回旋共振輔助MBE等。所需的溫度和NH3分壓依次減少。本工作采用的設(shè)備是AP—MOCVD，反應(yīng)器為臥式，并經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)改裝。用國產(chǎn)的高純TMGa及NH3作為源程序材料，用DeZn作為P型摻雜源，用（0001）藍(lán)寶石與（111）硅作為襯底采用高頻感應(yīng)加熱，以低阻硅作為發(fā)熱體，用高純H2作為MO源的攜帶氣體。用高純N2作為生長區(qū)的調(diào)節(jié)。用HALL測量、雙晶衍射以及室溫PL光譜作為GaN的質(zhì)量表征。要想生長出完美的GaN，存在兩個(gè)關(guān)鍵性問題，一是如何能避免NH3和TMGa的強(qiáng)烈寄生反應(yīng)，使兩反應(yīng)物比較完全地沉積于藍(lán)寶石和Si襯底上，二是怎樣生長完美的單晶。為了實(shí)現(xiàn)第一個(gè)目的，設(shè)計(jì)了多種氣流模型和多種形式的反應(yīng)器，最后終于摸索出獨(dú)特的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)器TMGa管道與襯底的距離，在襯底上生長出了GaN。同時(shí)為了確保GaN的質(zhì)量及重復(fù)性，采用硅基座作為加熱體，防止了高溫下NH3和石墨在高溫下的劇烈反應(yīng)。對(duì)于第二個(gè)問題，采用常規(guī)兩步生長法，經(jīng)過高溫處理的藍(lán)寶石材料，在550℃，首先生長250A0左右的GaN緩沖層，而后在1050℃生長完美的GaN單晶材料。對(duì)于 Si襯底上生長GaN單晶，首先在1150℃生長AlN緩沖層，而后生長GaN結(jié)晶。生長該材料的典型條件如下：
NH3：3L/min
TMGa：20μmol/minV/Ⅲ=6500
N2：3～4L/min
H2：2<1L/min
人們普遍采用Mg作為摻雜劑生長P型GaN，然而將材料生長完畢后要在800℃左右和在N2的氣氛下進(jìn)行高溫退火，才能實(shí)現(xiàn)P型摻雜。本實(shí)驗(yàn)采用 Zn作摻雜劑，DeZ2n/TMGa=0.15，生長溫度為950℃，將高溫生長的GaN單晶隨爐降溫，Zn具有P型摻雜的能力，因此在本征濃度較低時(shí)，可望實(shí)現(xiàn)P型摻雜。
但是，MOCVD使用的Ga源是TMGa，也有副反應(yīng)物產(chǎn)生，對(duì)GaN膜生長有害，而且，高溫下生長，雖然對(duì)膜生長有好處，但也容易造成擴(kuò)散和多相膜的相分離。中村等人改進(jìn)了MOCVD裝置，他們首先使用了TWO—FLOWMOCVD（雙束流MOCVD）技術(shù)，并應(yīng)用此法作了大量的研究工作，取得成功。雙束流MOCVD生長示意圖如圖1所示。反應(yīng)器中由一個(gè)H2+NH3+TMGa組成的主氣流，它以高速通過石英噴平行于襯底通入，另一路由H2+N2 形成輔氣流垂直噴向襯底表面，目的是改變主氣流的方向，使反應(yīng)劑與襯底表面很好接觸。用這種方法直接在α—Al2O3基板（C面）生長的GaN膜，電子載流子濃度為1×1018/cm3，遷移率為200cm2/v·s，這是直接生長GaN膜的最好值。
