1.3 氢化物气相外延法（HVPE）

HVPE（氢化物气相外延法）与上述两种方法的区别还是在于镓源，此方法通常以镓的氯化物GaCl3为镓源，NH3为氮源，在衬底上以1000 ℃左右的温度生长出GaN晶体。用此方法生成的GaN晶体质量比较好，且在较高的温度下生长速度快，但高温反应对生产设备，生产成本和技术要求都比较高。

采用以上传统方法制备GaN薄膜，对其质量好坏的主要影响因素是Si与薄膜晶格的相配程度。欲制备无缺陷的薄膜，首先要满足两者之间尽量小的晶格失配度；其次，两者的线膨胀系数也要相近。

表1-1 GaN外延生长方法的优缺点

制备方法

外延生长过程

优点

缺点

氢化物气相外延法

在金属镓上流过HCl,形成GaCl蒸汽，当他流到衬底上，与氨气反应，沉积形成GaN。

①生长速度快

②可以比较精确地控制膜厚

①高温反应对生产设备、生产成本和技术要求都比较高。

金属有机物气相沉积法

气体或者固体分子在高温下热裂解生成团簇，通过载气扩散到基片上，在催化剂的作用下排列、反应、生长、沉积。

①适合于工业化生产

②GaN晶体质量好

①过程比较复杂

②反应速率影响因素多

③温度高，原材料消耗大

分子束外延法

在真空中亿原子束或分子束溅落到衬底上，并在衬底上按一定的结构有序排列，形成晶体薄膜。

①生长温度低

②生长反应过程简单

③实时监控生长表面的结构、成分和膜厚，均匀性较好

①生长速率慢

②不能满足大规模商业化生产的要求

③采用等离子体辅助方式时，容易造成高能离子对于薄膜的损伤

经过分析了不同的GaN外延生长方法，虽然分子束外延技术可以在较低的温度下实现GaN的生长，其生长反应过程简单，可以实时监控生长表面的结构、成分和膜厚，生长温度低，均匀性较好，但是由于这种方法的生长速率较慢，可以精确地控制膜厚，不能满足大规模商业化生产的要求，而且当采用等离子体辅助方式时，容易造成高能离子对于薄膜的损伤。而金属有机化学气相沉积法的生长速率适中，可以比较精确地控制膜厚，特别适合于工业化生产GaN基外延材料，这种方法目前已经成为使用最多、外延生长材料和器件质量最高的方法。

02

异质外延生长的基本模式

一般来讲，异质外延有三种生长模式：Frank-van der Merwe 生长模式（层状生长模式）、Volmer-Weber生长模式（岛状生长模式）和Stranski-Krastanow生长模式（先层状生长再岛状生长）[30-32]，这三种生长模式如图4-1所示。

2.1 Frank-van der Merwe 生长模式

层-层生长模式一般发生于晶格常数比较匹配，晶格失配较小，衬底与外延层之间的键能较高的两种异质材料之间。当外延层材料的的表面自由能σf与界面能σi之和远小于衬底材料的表面自由能σs时，衬底材料将非常强烈地趋于完全覆盖衬底表面（即层-层生长模式），也就是外延层与衬底浸润，因为此生长模式会使整个体系的总表面自由能降低。于是沉积物质会先在衬底表面二维成核再扩展成层，然后在一层生长结束后再进行下一层的生长，如此按逐层生长的模式进行。

2.2 Volmer-Weber 生长模式

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