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氮化镓(GaN)晶体是如何合成的?

时间:2021-10-29 17:33:32

  自20世纪以来,人们对能源的利用效率的要求越来越高,而材料硅的性能已经达到其极限,因此第三代半导体氮化镓(GaN)进入了人们的视野并受到国际的热烈关注。
  在GaN电力电子领域中,生长GaN薄膜的方法主要有两种:金属有机气相沉积(MOCVD)和氢化物气相外延(HVPE)这两种方法。具体长晶原理如下:

  金属有机气相沉积生长GaN的原理是以含Ga的有机化合物(CH3)3Ga与含N的NH3作为原料,通过载气N2或者H2将原材料运送到衬底上方,而后在高温下反应生成GaN。具体反应方程式为:(CH3)3Ga+NH3→GaN+3CH4。生成的GaN则就沉积在衬底表面。该生长方法的优点是生长的晶体厚度和载流子浓度可控,缺点是生长速度较慢,生长速率约为1-2um/h。该反应的示意图如下:
气相氢化物生长GaN的生长系统主要包括两块:低温区和高温区。
  800-900摄氏度的低温区发生的反应为:
Ga(l)+ HCl(g) = GaCl(g)+1/2H2(g)
Ga(l) +2HCl(g) = GaCl2(g)+H2(g)
Ga(l) + 3HCl( g) = GaCl3 (g) + 3/2 H2 (g)
  该区域的作用是利用液态镓和氯化氢气体反应,生成镓的氯化物来提供镓源。并且通过载气N2运送至衬底区域。
  1000-1100摄氏度的高温区发生的反应为:
Ga(l)+NH3(g)= GaN(s)+ HCl(g)+ H2(g)
GaCl(g)+ HCl(g)= GaCl2(g)+1/2H2(g)
  该生长方法的优点是长晶速度快且晶体缺陷密度可控,缺点是载流子浓度和生长的晶体厚度不可控。该反应的示意图如下: