三、GaN材料生長(zhǎng)

　　GaN材料的生長(zhǎng)是在高溫下，通過(guò)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(zhǎng)GaN需要一定的生長(zhǎng)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(guò)特殊設(shè)計(jì)改裝。用國(guó)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(zhǎng)區(qū)的調(diào)節(jié)。用HALL測(cè)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(zhǎng)出完美的GaN，存在兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)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(zhǎng)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(guò)調(diào)節(jié)器TMGa管道與襯底的距離，在襯底上生長(zhǎng)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(wèn)題，采用常規(guī)兩步生長(zhǎng)法，經(jīng)過(guò)高溫處理的藍(lán)寶石材料，在550℃，首先生長(zhǎng)250A0左右的GaN緩沖層，而后在1050℃生長(zhǎng)完美的GaN單晶材料。對(duì)于 Si襯底上生長(zhǎng)GaN單晶，首先在1150℃生長(zhǎng)AlN緩沖層，而后生長(zhǎng)GaN結(jié)晶。生長(zhǎng)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(zhǎng)P型GaN，然而將材料生長(zhǎng)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(zhǎng)溫度為950℃，將高溫生長(zhǎng)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(zhǎng)有害，而且，高溫下生長(zhǎng)，雖然對(duì)膜生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)GaN膜的最好值。

　　四、GaN材料的應(yīng)用

　　4.1GaN基新型電子器件

　　圖1：雙氣流MOCVD生長(zhǎng)GaN裝置

　　圖2：GaN基器件與CaAs及SiC器件的性能比較

　　GaN材料系列具有低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場(chǎng)，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。目前，隨著 MBE技術(shù)在GaN材料應(yīng)用中的進(jìn)展和關(guān)鍵薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的突破，成功地生長(zhǎng)出了GaN多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用GaN材料制備出了金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MODFET)等新型器件。調(diào)制摻雜的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)具有高的電子遷移率(2000cm2/v·s)、高的飽和速度(1×107cm/s)、較低的介電常數(shù)，是制作微波器件的優(yōu)先材料;GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV) 及藍(lán)寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。圖2示出了GaN電子器件的性能與GaAs和SiCMESFET的比較，從圖中可以很好地看到GaN基電子器件具有很好的應(yīng)用前景。