如何利用MOVPE进行GaN生长？

2025-09-29 历史故事版权反馈

【摘要】：MOVPE于20世纪70年代首次应用于As[MAN 72]。有机金属与NH3前体经两个独立的入口注入反应器，目的是减少气相的寄生反应。图2-16 MOVPE反应器示意图注：有机金属化合物和NH3经两个独立的管道注入生长室。由于生长期间使用的高温，NH3的流量必须大，以避免氮从GaN表面蒸发。

MOVPE于20世纪70年代首次应用于（Al，Ga）As[MAN 72]。这是一种使用有机金属M-R_n化合物的气相技术，其中M为金属而R为有机基。对于GaN，Ga源通常为三甲基镓Ga（CH₃）3（TMG）或三乙基镓Ga（C₂H₅）3（TEG）。P型掺杂来自于双环戊二烯基镁（Cp₂Mg）。大多数有机金属为液体，但Cp₂Mg除外，它在普通环境温度（0～40℃）下为固体[DEM 00]。这些化合物常温保存于密封瓶的恒温槽中。氢用作运载气体，在液体中渗流，将气相有机金属运送至生长室中。NH₃气体提供氮源。

图2-16为垂直结构MOVPE反应器的示意图。有机金属与NH₃前体经两个独立的入口注入反应器，目的是减少气相的寄生反应。原体用射频感应加热石墨感受器在约1000℃下热解于衬底上。

NH₃和有机金属的流量恒定，以保证氮化物薄膜在衬底上的生长，而副产品碳氢化合物由排气口排出。在此期间，反应器内的压力保持在10⁴～10⁵Pa^[1]之间。

在NH₃和TMG形成GaN之前，以下反应会产生一种中间加合物：

（CH₃）₃Ga+NH₃→（CH₃）₃ Ga：NH₃ （2-4）

这些加合物在1000～1100℃的生长温度下是极不稳定的，因此它们离解并产生Ga（g），最后的整体反应为

Ga_（g）+NH_3（g）→GaN_（s）+3/2H_2（g）（2-5）

应注意NH₃的热力学离解：(https://www.chuimin.cn)

NH_3（g）→1/2N_2（g）+3/2H_2（g）（2-6）离解是在T>300℃的条件下完成的。然而，式（2-6）的反应过程与式（2-4）和式（2-5）的反应相比慢得多，因此MOVPE期间，分解为无活性H₂和N₂分子的NH₃是可以忽略的[KOU 97]。

图2-16 MOVPE反应器示意图

注：有机金属化合物和NH₃经两个独立的管道注入生长室。衬底放置于石墨感受器上，由射频电感耦合进行加热。用镭射反射器在原位控制生长。

由于生长期间使用的高温，NH₃的流量必须大（V/III的比值>1000），以避免氮从GaN表面蒸发。

生长通常由原位激光反射法进行控制[BEA 97]。在空气、薄膜和衬底的分界面，由于三者的折射率不同，薄膜中出现多次反射。生长期间，被薄膜多次反射的信号将出现振荡，振荡可能是相长的（最大化）或相消的（最小化）。振荡周期为，其中λ为激光的波长，n为薄膜的折射率，V为生长速度。V信号的反射率对分界面的光滑度非常敏感，随着表面粗糙度的增加，振荡幅值减小。当生长完成的材料构成散射晶体时，信号还可能完全消失。

如何利用MOVPE进行GaN生长？

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