
【国内论文】南京大学:不同氮化 Ga₂O₃ 薄膜上生长的 GaN 厚膜的研究
日期:2025-08-21阅读:17
由南京大学的研究团队在学术期刊 Crystals 发布了一篇名为 Study of GaN Thick Films Grown on Different Nitridated Ga2O3 Films(不同氮化 Ga2O3 薄膜上生长的 GaN 厚膜的研究)的文章。
项目支持
本研究得到国家自然科学基金委员会(No. 62404097)、国家重点研发计划(2022YFB3605204、2022YFB3605201)以及固态照明与节能电子学协同创新中心和江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)的支持。
背 景
氮化镓(GaN)是制造 LED、高频和功率电子器件的核心半导体材料。目前,GaN 外延生长主要依赖于蓝宝石、SiC 或 Si 等异质衬底,但这些衬底存在成本高、晶格失配大等问题。氧化镓(Ga2O3)作为新兴的宽禁带半导体,其某些晶相与 GaN 具有较好的晶格匹配性,并且有望实现低成本的大尺寸衬底,因此被认为是 GaN 外延的一种有前景的替代衬底。在 Ga2O3 上直接生长 GaN 非常困难,通常需要一个氮化预处理步骤,即用氨气(NH3)等氮源处理 Ga2O3 表面,形成一层薄的 GaN 成核层,以利于后续 GaN 的生长。然而,Ga2O3 本身存在多种晶相(如同质异形体),其中最稳定的是 β 相,此外还有 ε 相等。不同的 Ga2O3 初始晶相在经过氮化处理后,形成的 GaN 成核层质量以及对后续 GaN 生长的影响可能存在巨大差异,这一点尚缺乏系统性的对比研究。
主要内容
本文中,对包括非晶态 Ga2O3 薄膜、β-Ga2O3 以及 α-Ga2O3 外延薄膜在内的多种 Ga2O3 薄膜进行了氮化处理,并在其表面转化为单晶 GaN 层。尽管原始 Ga2O3 薄膜的类型不同,但所有转化后的 GaN 层均表现出 (002) 取向和多孔形态。采用卤化物气相外延(HVPE)方法,在氮化 Ga2O3 薄膜上生长了约 200 µm 厚的 GaN 薄膜。拉曼光谱分析表明,所有生长于氮化 Ga2O3 薄膜上的 HVPE-GaN 薄膜几乎无应力。在 GaN 厚膜与蓝宝石衬底的界面处观察到明显的 GaN 多孔层/Ga2O3 结构。这些多孔 GaN 层可作为制备独立式 GaN 衬底的理想模板。
总 结
采用 HVPE 法在氮化 Ga2O3 薄膜上成功生长了无应力 GaN 厚膜。通过在 NH3 气氛下采用不同方法制备的 Ga2O3 薄膜经氮化处理后,形成了单晶 GaN 层。XRD 和 SEM 结果表明,所有转化得到的 GaN 层均呈现 (002) 取向,且具有多孔形态。通过准确量化转化 GaN 层 E2 模式的拉曼频率偏移,揭示了约 0.069 GPa 的应力值。原生 HVPE-GaN 薄膜几乎无应力,且具有更强的光致发光(PL)强度。这些结果表明,通过更简单、成本更低且重复性更好的方法可制备用于多孔 GaN 模板的 Ga2O3 薄膜,这将有利于制备高质量的应力释放独立式 GaN 衬底。

图1. S1–S3样品(a)和NS1–NS3样品(b)的XRD图谱。转换后GaN (002)和(102)晶面的FWHM值(c)。NS1–NS3样品的拉曼光谱(d)。

图2. S1–S3和NS1–NS3样品的顶视SEM图像。
DOI:
doi.org/10.3390/cryst15080719