重新定义钠助熔剂法

除氧可改善 GaN 种子的质量

低成本、大直径的 GaN 衬底被广泛认为是用于生产蓝光和绿光激光器以及 GaN 功率器件的最佳基板。

此类衬底的生产一直难以捉摸，但是它们现在距离被人们弄清似乎是近在咫尺了，这得益于日本大阪大学研究人员所取得的一项突破。

多年来，该研究小组一直倡导运用钠助熔剂法 (sodium-flux method) 来生长 GaN 衬底，而且他们现在能够以非常低的穿透位错密度生产材料。不过，生长过程之慢让人难以置信 ― 低于 50 μm/小时 ― 因此，最近这些研究人员采用了一种混合方法，就是将该技术与氢化物气相外延 (HVPE) 相结合。他们的构想是，运用钠助熔剂法产生高质量的种子，然后 HVPE 以高于 1 mm/小时的生长速率使其变厚。

阻碍这一进程的是多点式种子的金字塔形侧面 (pyramidal facets) 中的高含氧量。这个问题必须解决，因为氧会引起晶格失配，从而导致材料退化，比如出现裂纹和位错。

当开始努力解决这个问题时，研究人员试图使用高温生长来消减金字塔形侧面中的氧污染。由于这并未充分地减低氧污染，他们因此意识到：有必要抑制侧面生长并促进 c 平面 (c-plane) 生长。刚刚取得的这项突破是采用沿着金字塔形 GaN 晶体形成的残留镓-钠熔体。这实现了富氮晶体生长。

这种最新的工艺以在蓝宝石晶圆上生长的 GaN 薄膜的图形化作为起点。在他们的论文中，研究小组描述了在 5 μm 厚的图形化 GaN 薄膜上获得的结果，此薄膜是在 3 英寸蓝宝石衬底上生长的。

作为开始，采用钠助熔剂法的生长是将图形化晶圆托住在镓-钠熔体的上方并持续 24 小时，直至晶圆达到氮过饱和状态为止。然后，将晶圆浸渍在熔体中达 30 小时（见图 1）。抽出衬底即可显现金字塔形 GaN 晶体中间残留的助熔剂。

为了制作平面膜，反复地将图形化晶圆浸渍在熔体中，以解决稀助熔剂中钠供应量不足的问题。在 100 个小时之后，这将制成完全平坦的 c 平面薄膜。接着，出于再一次增加厚度的目的，研究人员将 GaN 在熔体中又多浸渍了 100 个小时。在冷却时，GaN 自然地与蓝宝石分离，并且不会出现裂纹（见图 2）。

据该研究小组发言人 Masayuki Imanishi 称，由于涉及一项专利申请，所以在他们的论文中并未介绍在 GaN 上进行 HVPE 生长的相关结果，但是已经实现了 1 mm 厚薄膜的生长。

该研究小组的下一个目标包括制造直径为 100 mm 的 GaN 晶圆，以及采用 HVPE 生长厚度超过 5 mm 的 GaN 薄膜。

图 1. 点种子 (point seeds) 的浸渍启动了 GaN 的生长（(a) 至 (c)），进一步浸渍将产生平面薄膜 (d)，然后使薄膜增厚（(e) 和 (f)）。

图 2. 运用精致钠助熔剂法制作的 GaN。这种经过了背面研磨和抛光处理的材料直径大于 2 英寸，并具有 10³ cm^-2 至 10⁵ cm^-2 的穿透位错密度。

参考文献

M. Imanishi et al. Appl. Phys Express 12 045508 (2019)