MOCVD载气流量对GaN外延生长的影响

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0013

摘要/Abstract

摘要： 本文基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在6英寸Si （111）衬底上外延生长了GaN薄膜，通过椭圆偏振光谱仪、高分辨X射线衍射仪、扫描电子显微镜、原子力显微镜及透射电子显微镜等测试分析手段表征了GaN薄膜的微观结构、表面形貌及晶体质量，研究了GaN薄膜生长时的H₂载气流量变化对GaN生长均匀性及晶体质量的影响。结果表明，随着H₂载气流量的增加，前驱体能够更快地到达衬底表面参与表面反应，从而提高了GaN的生长速率；然而过大的H₂载气流量会导致部分混合气体参与GaN生长的时间过短。在H₂载气流量为39 slm（标准升每分钟）时，GaN生长速率达到了饱和。提高H₂载气流量会导致Ga原子迁移率的增加，然而，当H₂载气流量增加到48 slm时，Ga原子迁移率的增加不再带来更平整的表面。AlGaN缓冲层具有V型坑结构形貌，大多数位错在AlGaN缓冲层弯曲、湮灭，并停止向GaN层延伸，这导致GaN生长经历类似横向外延过生长的过程，在一定程度上提高了GaN的晶体质量。

关键词: 氮化镓; 载气流量; Si （111）衬底; 金属有机化学气相沉积; 异质外延; 薄膜

Abstract: The GaN thin film was grown on a 6-inch Si （111） substrate using a metal-organic chemical vapor deposition （MOCVD） system. The microstructure， surface morphology， and crystal quality of the GaN thin film were characterized by techniques such as spectroscopic ellipsometer， high-resolution X-ray diffraction， scanning electron microscopy， atomic force microscopy and transmission electron microscopy. The influence of variations in carrier gas flow rate during GaN growth on the uniformity and crystal quality of the film was investigated. The results indicate that as the H₂ flow rate increases， the precursor reaches the substrate surface more rapidly， enhancing the surface reaction and consequently increasing the growth rate of GaN. However， excessively high H₂ flow rates causes some of the mixed gases to participate in the GaN growth for insufficient time， leading to a saturation of the growth rate when the H₂ flow rate reaches 39 slm （standard liter per minute）. While increasing the H₂ flow rate also enhances the migration rate of Ga atoms， further increases up to 48 slm do not yield a smoother surface. The AlGaN buffer layer exhibits a V-shaped pit structure， with most dislocations being bent， annihilated， and prevented from extending into the GaN layer. This results in a growth process resembling lateral overgrowth， which improves the crystal quality of the GaN to some extent.

Key words: GaN; carrier gas flow; Si （111） substrate; MOCVD; heteroepitaxy; thin film

中图分类号:

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图/表 6

表1 不同样品的H2载气流量

Table 1 H2 carrier gas flow rate values for different samples

Sample	Carrier gas flow rate/slm	Increase/decrease
A	12	-60%
B	21	-30%
C	30	0
D	39	+30%
E	48	+60%

图1 不同H2载气流量下GaN薄膜的厚度分布

Fig.1 Thickness distribution of GaN thin films at different H2 carrier gas flow rates

图2 不同H2载气流量下的GaN薄膜5 μm×5 μm AFM表面形貌照片

Fig.2 AFM surface morphology images 5 μm × 5 μm of GaN thin films at different H2 carrier gas flow rates

图3 不同H2载气流量下GaN样品的SEM截面照片

Fig.3 SEM cross-sectional images of GaN samples at different H2 carrier gas flow rates

图4 不同H2载气流量下GaN薄膜HRXRD测试结果

Fig.4 HRXRD test results of GaN thin films at different H2 carrier gas flow rates

图5 样品E的TEM横截面照片（a），以及Si（b）、Al（c）、Ga（d）、N（e）元素的相应EELS映射图像

Fig.5 TEM cross-sectional image （a）， and corresponding EELS mapping images of Si （b）， Al （c）， Ga （d）， N （e） elements of sample E

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