低温ECR-MOCVD生长(002) GaN：椭偏仪测厚与电学性能(低温生长调节剂有哪些)|科技 |温度 |低温 |min |流量 |样品

低温ECR-MOCVD生长(002) GaN：椭偏仪测厚与电学性能(低温生长调节剂有哪些) ypxx.net

GaN 薄膜通常靠 MOCVD 在 1000 °C 以上生长，衬底与薄膜的热失配在降温后留下应力和微裂纹。 费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪可以 非接触对薄膜的 厚度与折射率的 高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本研究尝试了一条低温路线：用 电子回旋共振等离子体增强 MOCVD（ECR-PEMOCVD），在 Si(111) 和 (0002) 蓝宝石衬底上生长 (002) 择优取向 GaN 薄膜，系统考察了生长温度、TMGa 流量和生长时间对结晶取向、膜厚、光学与电学性能的影响。

实验方法与表征条件

Si（111）面和 GaN（002）面结构示意图

实验用 ECR-MOCVD 设备，以 TMGa 和 N₂ 分别作为 III 族和 V 族前驱体，TMGa 由 H₂ 载气经 −14.1 °C 恒温冷阱鼓泡输送。设备本底真空度最高 10⁻⁵ Pa，生长层微波功率 650 W，蓝宝石衬底清洗与氮化用 750 W。衬底为低阻 Si(111)（激光切割成 2 cm×2 cm 方片，经 RCA 清洗）和单抛 (0002) 蓝宝石（浓硫酸与浓磷酸 3:1 溶液 300 °C 加热 10 min 清洗）。

Si(111) 上先以 350 °C、2.0 SCCM TMGa、100 SCCM N₂ 生长 30 min GaN 缓冲层，再在 650 W、2.6 SCCM TMGa、100 SCCM N₂ 下改变生长温度（400–550 °C）或 TMGa 流量（2.2–2.8 SCCM），生长层时间 3 h。蓝宝石衬底上先经 N₂/H₂ 混合等离子体 650 °C、750 W 清洗 20 min，45 SCCM N₂ 600 °C、750 W 氮化 2 min，再以 1.0 SCCM TMGa、100 SCCM N₂、600 °C、650 W、2.3 Pa 生长 30 min GaN 缓冲层，最后在 650 °C、650 W 下改变 TMGa 流量（0.8–1.4 SCCM，3 h）或生长时间（0–3 h，1.0 SCCM）。

表征手段包括：RHEED（原位监控，加速电压 10–30 keV）、XRDAFM（扫描范围 2 μm×2 μm，输出 Sₐ、Sq）、白光干涉仪（测 Si(111) 上 GaN 膜厚）、椭偏仪（测蓝宝石上 GaN 膜厚）、SEM（超高分辨场发射扫描电镜，观察 1.0 SCCM 样品截面）、PL（Si(111) 样品激发波长 340 nm、接收 340–800 nm）、霍尔效应测试、I-V 测试（磁控溅射钨电极，步进电压各采 20 个点）、紫外-可见分光光度计（积分球附件，BaSO₄ 漫反射层，Tauc Plot 法算光学带隙）。

Si(111) 衬底：温度管结晶性，流量管取向

不同温度下生长的 GaN 薄膜的 RHEED 图

RHEED 显示，400 °C 时衍射图案为连续半圆环，薄膜整体多晶，(002) 衍射斑亮度弱；温度升到 550 °C，多晶环完全断开为衍射斑点， (002) 斑亮度最高、清晰明显，但其他晶面衍射斑仍可见，薄膜整体仍有多晶性质。XRD 与 RHEED 一致：2θ=32.38°、34.56°、57.77° 处分别对应 (100)、(002)、(110) 取向，550 °C 时 (002) 占比最大。AFM显示 450 °C 时粗糙度最大（Sₐ=0.920 nm、Sq=1.160 nm），550 °C 降到 Sₐ=0.478 nm、Sq=0.608 nm，表面趋于平整致密。

不同TMGa流量下生长的GaN薄膜的厚度

固定 550 °C 后改变 TMGa 流量，RHEED 显示四个样品都呈 (002) 择优取向，2.6 SCCM 时 (002) 衍射斑最亮，2.8 SCCM 时亮度下降。XRD (002) 峰强度随流量先增后减，2.6 SCCM 最大。AFM 粗糙度在 2.6 SCCM 最低（Sₐ=0.478 nm、Sq=0.608 nm），2.8 SCCM 略升至 Sₐ=0.510 nm，研究归因于 TMGa 过量时 Ga 原子相对过剩、活性 N 不足，未反应的 Ga 聚集在表面形成微型 Ga 滴。白光干涉仪测膜厚（Marker笔制台阶后擦除）：2.2、2.4、2.6、2.8 SCCM 样品分别为 160、103、100、107 nm，先减后增，与 XRD 趋势对应。2.6 SCCM 样品用 Tauc Plot 法得光学带隙约 3.3 eV。PL 测试中 Si(111) 上 GaN 几乎没有荧光强度，340 nm 处突起为仪器初始激发波长造成。I-V 曲线呈非线性增长，钨功函数 4.5–5.2 eV 高于 n-GaN 约 4.2 eV，形成肖特基接触。

不同温度下生长的GaN薄膜的XRD图

温度变化没有消除 (002) 之外的其他取向， 400 °C 样品 XRD 结果甚至接近非晶；高温或退火暂不能改善 Si 与 GaN 严重晶格失配和热失配导致的多晶与结晶质量差的问题，高缺陷密度和多晶性质使缺陷发光严重、漏电流密度高。TMGa 流量对择优取向的影响更大，结晶温度对结晶性的影响更大。

蓝宝石衬底：1.0 SCCM、2 h的综合结果

不同 TMGa 流量下生长的 GaN 薄膜的厚度

蓝宝石与 GaN 同为六方晶格，晶格失配小于 Si(111)。TMGa 流量实验固定生长时间 3 h，XRD 显示所有样品都有较高结晶强度，存在 (002) 和 (101) 两种取向；(002) 强度随流量先增后减，1.0 SCCM 时最高、半峰宽约 0.375°；(101) 强度随流量增加而增加。 椭偏仪测得膜厚随流量单调增加：0.8 SCCM 36.29 nm、1.0 SCCM 48.90 nm、1.2 SCCM 50.86 nm、1.4 SCCM 77.32 nm。为验证椭偏仪结果，研究 用 SEM 观察 1.0 SCCM 样品截面，测得 48.50 nm，与椭偏仪 48.90 nm 接近；截面显示 GaN 薄膜粗糙度约 6–10 nm，表面起伏不平整，研究认为是层状-岛状生长模式中的岛状形貌。PL 光谱中蓝宝石衬底近乎不发光，生长 GaN 的样品只在约 3.39 eV 处出现 NBE 发射峰，1.0 SCCM 时强度最大，可见区荧光强度很低。霍尔测试显示电阻率和方阻随流量先减后增，1.0 SCCM 最低，分别为 0.21 Ω·cm 和 22201 Ω；载流子浓度在 10¹⁹/cm³ 量级，1.0 SCCM 最大 2.8×10²⁰/cm³；迁移率随流量先减后增，1.0 SCCM 约 0.2 cm²/(V·s)。研究将低电阻率归因于 N 空位作为施主源使未掺杂 GaN 显 n 型，以及与 H₂ 作 TMGa 载气有关，并引用 Grzegorczyk 等以 H₂ 为载气生长微米级 GaN 电阻率 0.5–0.7 Ω·cm 的结果作对照。

生长时间实验固定 1.0 SCCM。XRD 显示仅有缓冲层时样品只存在 (002) 取向、强度较低；1 h 时结晶性显著提高；2 h 时表现为完全 (002) 择优取向单晶、半峰宽约 0.475°；3 h 时出现 (101) 取向，研究归因于生长模式由二维层状转为三维岛状、岛合并过程中出现其他取向。 椭偏仪测得厚度随生长时间增加：仅有缓冲层 16.68 nm、1 h 22.59 nm、2 h 32.81 nm、3 h 48.90 nm。PL 显示仅有缓冲层和 1 h 样品未表现发光，2 h 样品 NBE 强度最大，3 h 下降。霍尔测试中 2 h 样品电阻率 0.008 Ω·cm、方阻 2429 Ω、载流子浓度 7.47×10¹⁹/cm³、迁移率 10.42 cm²/(V·s)；1 h 样品电阻率 0.01 Ω·cm、方阻 4498 Ω；3 h 样品电阻率和方阻显著升至 0.108 Ω·cm 和 22201 Ω。研究的解释是：GaN 生长初期以岛状团簇存在，能量和迁移性较高；生长时间增加后团簇原子在衬底表面附近完全重构为较扁平的二维层状结构，整体能量降低，迁移率随之降低；载流子一般局限在晶体质量较差处，尤其膜-衬底结合处，2 h、1.0 SCCM 样品结晶质量和取向最好，因此载流子浓度较低、迁移率较高。

本研究的核心结果是： ECR-MOCVD 在不插入 AlN 缓冲层的条件下，以 N₂ 和 TMGa 为 V 源和 III 源，在 Si(111) 和 (0002) 蓝宝石衬底上低温生长出 (002) 择优取向 GaN 纳米薄膜。Si(111) 上 550 °C、2.6 SCCM 样品结晶质量和 (002) 取向最佳，但薄膜仍为多晶，PL 无明显发光，I-V 呈肖特基接触，研究判断高温或退火暂不能改善 Si/GaN 失配导致的多晶与高缺陷密度问题。 蓝宝石衬底上 1.0 SCCM、2 h 样品呈完全 (002) 择优取向，半峰宽约 0.475°，厚度 32.81 nm，NBE 发射最强，电阻率 0.008 Ω·cm、方阻 2429 Ω、载流子浓度 7.47×10¹⁹/cm³、迁移率 10.42 cm²/(V·s)。

费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪