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晶体结构与6H-SiC和Al2O3的外延关系分析

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：图2-5 GaN晶体中镓和氮原子键极性的方向两种用于GaN外延生长的最常用的衬底是三方晶格的Al2O3蓝宝石和六方晶格的6H-SiC碳化硅。采用了有极性的6H-SiC和ZnO衬底，GaN的极性将复制其下面衬底的极性[HEL 98]。相反，Al2O3衬底是无极性的。因此氮化物被称为半极性的或非极性的。表2-1给出了两种主要衬底6H-SiC和Al2O3的一些重要参数，并与GaN进行了比较。如果不旋转晶格，参数失配将为因为存在减少失配的自然趋势，所以GaN晶格相对于Al2O3晶格被旋转了30°。

Ⅲ族氮化物半导体是由III列元素（铟、镓、铝）和氮原子组成的。它们的基本晶格结构是带sp³键的金刚石点阵，形成闪锌矿（Zincblende）结构（对于立方晶系）或纤锌矿（Wurtzite）结构（对于六方晶系）。

纤锌矿结构（见图2-4）因其金属-氮键离子特性使其成为最合适的结构。

图2-4 （Al，Ga，In）N的纤锌矿结构

因为纤维矿结构的极性是沿着c[0001]轴的，所以存在固有的极化，也称为自发极化。

氮化物的极性定义为III-N键相对于样品表面的方向（见图2-5）。应将镓极性和氮极性表面区别开来。

图2-5 GaN晶体中镓和氮原子键极性的方向

两种用于GaN外延生长的最常用的衬底是三方晶格的Al₂O₃蓝宝石和六方晶格的6H-SiC碳化硅。两种衬底通常具有[0001]方向的外延表面，氮化物沿此方向生长。

那么氮-面或镓-面的极性由衬底和采用的生长方法决定。采用了有极性的6H-SiC和ZnO衬底，GaN的极性将复制其下面衬底的极性[HEL 98]。

相反，Al₂O₃衬底是无极性的。在Al₂O₃上GaN的直接生长采用氮源MBE使GaN与氮的极性相同[CHO 03]，然而镓极性可用生长前在蓝宝石上沉淀出缓冲层的方法实现。镓极性总是由MOVPE方法获得，因为在外延生长的第1步，高温和氨流量使Al₂O₃上形成AlN单分子层。

GaN层的外延生长还可以由与生长方向不同的C轴获得。因此氮化物被称为半极性的或非极性的。采用如6H-SiC等与GaN对称的衬底时，GaN的晶体取向准确地沿着衬底。采用Al₂O₃等衬底时，外延生长可沿不同方向，具体方向由Al₂O₃的晶面决定（见图2-6）。对于C（0001）方向或A方向（11-20）的晶面，GaN膜沿着C极性方向生长。对于R（1-102）方向的蓝宝石，GaN沿着非极性方向A<11-20>生长，C轴与表面平面平行。最终M（10-10）方向的蓝宝石得到<11-22>方向的GaN，称为半极性，C轴和表面平面的夹角为32°。

非极性氮化物在生长方向上不会自发极化或压电极化，从而消除了LED有源结构中的量子受限斯塔克效应（Stark Effect），增加了辐射效率。但是，非极性或半极性氮化物的晶体品质远不如极性氮化物，主要原因在于堆垛层错[GUE 07]。

本章的剩余部分涉及（0001）方向的极性氮化物，迄今为止它是所有光电子元件的基础。

表2-1给出了两种主要衬底6H-SiC和Al₂O₃的一些重要参数，并与GaN进行了比较。

表2-1 一些参数与GaN的比较

（续）

注：CTE为热膨胀系数；σ_th为热导率。

图2-6 GaN在Al₂O₃不同晶面上的外延生长方向

蓝宝石与GaN间的晶格失配要比它和SiC间的高，这是异质外延的一个缺点。然而，可利用先进的技术获得相近的晶体品质，与使用的衬底无关。SiC的主要优点是其极高的热导率和电导率，前者使LED的散热性能更好，后者使LED内层的金属接触成为可能。另一方面，蓝宝石是热绝缘和电气绝缘的。

SiC和GaN的热膨胀系数（CTE）不同，SiC的要小一些，当从生长温度（约1000℃）冷却至环境温度期间，会产生拉伸应力。因此GaN层在应力作用下可能会出现宽度大于5μm的裂缝[LAH 00]。另一方面，蓝宝石的CTE比GaN的小。在这种情况下，冷却时GaN膜受到压缩，造成GaN和蓝宝石的界面出现裂缝并传播至GaN的内部[HIR 93]。图2-7所示的为蓝宝石的三方晶格和（0001）外延晶面。

图2-7 蓝宝石的三方晶格和（0001）外延晶面（面内的GaN晶格相对于蓝宝石旋转了30°，以减少参数失配。本例中Δa/a=-13.8%）

Al₂O₃在（0001）晶面的晶格参数为4.758Å，而GaN的为3.189Å。如果不旋转晶格，参数失配将为

因为存在减少失配的自然趋势，所以GaN晶格相对于Al₂O₃晶格被旋转了30°。本例中，失配变为

外延关系为[11-20]Al₂O₃//[10-10]GaN。这种情况下解理面（Cleavage Planes）的获得是极其困难的，需要用离子蚀刻方法产生激光腔。