Fabrication of a 2 inch free standing porous GaN crystal film and application in the growth of relaxed crack-free thick GaN

Abstract

Porous template has the function of relieving the stress of epitaxially grown GaN crystals and blocking dislocations. In this study, a 2-inch self-standing porous GaN crystal film was fabricated for...

Research Progress in Liquid Phase Growth of GaN Crystals

“…Liquid-phase growth, on the other hand, predominantly utilizes the Ammonothermal method and flux methods for growing GaN single crystals. [20][21][22][23][24] HVPE, with its faster growth rate and ability to produce large-sized crystals, is the main method commercially employed for production of GaN crystal sub-strates. However, it is associated with high costs, high crystal dislocation density, small curvature radius, and environmental pollution concerns.…”

“…In vapor‐phase epitaxy, the commonly used techniques are Metal‐organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE), and its derivatives, such as Trihalide Vapor Phase Epitaxy (THVPE). Liquid‐phase growth, on the other hand, predominantly utilizes the Ammonothermal method and flux methods for growing GaN single crystals [20–24] . HVPE, with its faster growth rate and ability to produce large‐sized crystals, is the main method commercially employed for production of GaN crystal substrates.…”

Progress in GaN Single Crystals: HVPE Growth and Doping

“…2018 年日本 Fujikura 等 [22] 在新型晶体硬度控制 技术的基础上, 通过 HVPE 成功制备了无大缺陷、 2~6 英寸 GaN 体晶体。位错密度是表征晶体质量的 重要数据, Fujimoto 等 [23] 使用 SiO 2 六边形掩膜进行 两步平滑面生长, 有效提高了 GaN 晶体的晶格曲率 和晶体质量, 位错密度降低至 6.8×10 5 cm -2 。 Yoshida 团队 [24] 利用三维生长区消除 c 平面来抑制籽晶位错 的传播, 成功获得位错密度为 4×10 5 cm −2 的 2 英寸 GaN 衬底, 通过两次生长三维生长区将位错密度进 一步降低至 10 4 cm −2 。2020 年, 日本三菱公司 [25] 通 过 HVPE 法在氨热 GaN 籽晶上制备了低位错密度 (1.4×10 3 cm -3 )的 GaN 单晶衬底。Jae-Shim 等 [26] 采用 [27] 。 山东大学晶体材料国家重点实验室也进行了 GaN 单晶的生长和加工研究 [28][29][30][31] 。900 ℃以上 GaN 易发生分解, 容易形成多孔结构。通过高温退火法 成功制备出 2 英寸多孔 GaN 衬底以及 2 英寸自支撑 多孔 GaN 单晶薄膜 [28] , 详细研究了退火时间和退火 温度对多孔 GaN 表面形貌、 光学和电学性能的影响 规律 [29] 。多孔结构使生长界面形成空隙, 有效阻断 位错降低应力并实现与衬底分离, 他们首次在高温 退火多孔衬底上生长, 得到了高质量自剥离的 GaN 单晶 [30] , 并详细研究了制备的多孔衬底上外延生长 GaN 的成核阶段生长行为 [31] 。近期本研究团队采用 HVPE 生长出 2 英寸 GaN 单晶, 厚度可达 2.5 mm, [33][34] , 衬底载流子浓度在 10 16 ~10 17 cm -3 范围内, 在低载流子浓度样品中, Si 浓度高于 O 浓度, 而在 较高载流子浓度样品中, O 浓度比 Si 浓度高, 电子 浓度随着 GaN 厚度增加而降低 [35] , 电阻率波动范 围比较大, 性能不稳定, 不适用于高功率(光电和电 子)垂直器件, 需要进一步掺杂来满足器件制造的 需求。通过掺杂获得的 n 型 GaN 衬底的载流子 High resistivity (iron showing a parasitic effect, easy to diffuse) High power/frequency devices, HEMT, photoconductive switch, detectors [2] 可以在整体器件中进行有效传输, 显著提高器件的 功率和效率, 可用于制作高功率垂直器件。 掺杂 Si 和 Ge 是实现 n 型 GaN 最为常见的方式。 在 HVPE 中, Si 掺杂源的选择有很多。与 MOVPE 相同, 可以考虑硅烷等气体源, 但热稳定性较差, 到达衬底之前就会迅速分解, 不是 Si 掺杂的最优选 择。 可以使用固体 Si 作为掺杂源与 HCl 进行反应生 成 SiHCl 3 , 在高温下转变为 SiCl 2 , 然后被运输到生 长区, 但 Si 片反应后的形貌发生变化会影响对掺杂 量的控制。Lipski [36] 以 Si-Ga 溶液同时作为 Si 源和 Ga 源, 通过 HVPE 成功制备了 Si 掺杂 GaN。 SiH 2 Cl 2 具有更高的热稳定性, 目前普遍以 SiH 2 Cl 2 作为掺 杂源, 利用 HVPE 生长得到的 GaN 具有良好的晶体 质量 [37][38] (设备结构示意图见图 4(a))。 Si 原子是 GaN 中的浅施主, 可以提高 GaN 的费米能级, 因此, 较 高的 Si 掺杂浓度可以提高欧姆接触性能。而且适当 的 Si 掺杂不会影响 HVPE-GaN 晶体的高结构质量。 但是 Si 杂质具有抗表面活性剂效应, 随着掺杂浓度 升高, GaN 表面会形成单原子层 SiGaN 3 , 引入排斥 性的电偶极矩, 阻碍 GaN 在表面的继续生长, 导致 表面形貌恶化, 进而限制了 Si 浓度的进一步提高 [39] 。 由于 Si 原子与线位错之间的相互作用, Si 掺杂还会 导致 GaN 材料中的位错在位错攀升过程中发生倾 斜 [40] , 从而引入张应力并造成 GaN 翘曲、开裂等问 题, 降低了临界层厚度 [41] 。Si 掺杂引起的拉伸应变 广泛存在于 GaN、AlGaN 和 AlN 中, 这与所使用的 生长技术无关。位错密度越低, Si 掺杂和载流子浓 度对拉伸应力的影响就越小 [42] 。采用高质量籽晶作 为衬底可以有效降低 GaN 材料的位错密度, 减少倾 斜位错, 从而缓解 Si 掺杂 GaN 内部的张应力。Xia 等 [43] 研究发现在相同的载流子浓度下, Si 掺杂的高 质量块体 GaN 的载流子迁移率优于具有较高位错 密度的 GaN 衬底。用 Si 掺杂可以获得自由载流 图 4 Si 掺杂 HVPE-GaN [38] Fig.…”