MOCVD异质外延GaN过程中横向生长效应的研究

The purpose of the project is to study the lateral growth effect of GaN epitaxially grown by metal-organic chemical vapor deposition(MOCVD), i.e. to investigate how the lateral growth behavior is determined by the intrinsic properties of GaN, and affected by its particular dynamics, and to determine the microstructure characteristics of GaN formed through lateral growth and the correlated optical and electrical properties. Through a combination of theoretical and experimental observation, the project will compare the lateral growth effect of a-plane, m-plane and c-plane GaN to find out the function of surface energy, of N-polar and Ga-polar GaN to search for the function of polarity, and of GaN nanowire to look for the impacts of different mass transportations on lateral growth, and the project will also study GaN grown on vicinal substrate to investigate the bending mechanism of dislocations during lateral growth. The unique feature of the project is that lateral growth effect is stood out from the complex study of growth conditions, and specifically studied as a basic growth mechanics that could describe material growth behavior. It gives a new way of thinking to study GaN growth and properties in order to control and utilize this polarized wide-band semiconductor.

本项目针对金属有机物化学气相沉积（MOCVD）的异质外延，研究GaN的横向生长行为与材料固有属性之间的关系，探寻其背后特有的动力学规律，确定横向生长所决定的GaN的微结构特性，以及此微结构所对应的材料光、电性质。本项目通过理论与实验相结合，对比a面、m面和c面GaN横向生长效应的差异，研究表面能在其中的作用；对比N极性面和Ga极性面GaN横向生长效应的差异，研究极性在其中的作用；通过斜切衬底上GaN的生长，研究横向生长中位错的弯曲和相互作用湮灭机制；通过研究GaN纳米线的横向生长效应，探讨不同的质量输运机制在晶体横向生长中的作用。本项目将横向生长效应从晶体生长条件的研究中独立出来，作为一条描述材料生长行为及其影响的基本机制，进行专门针对性的研究，为GaN生长和物性的研究提供了新思路，以期更好的控制并利用这一极性宽禁带半导体材料。

背景与意义：在第三代宽禁带半导体GaN基材料的MOCVD外延技术逐步走向商用化的同时，一些关于材料特性的基础问题尚未十分清楚，在错综复杂的实验现象背后隐藏的物理学规律还有待于发掘。本项目将横向生长效应从晶体生长条件的研究中独立出来，作为一条描述材料生长行为的基本机制，进行专门针对性的研究，这不仅便于生长的控制和材料特性的定制，也有利于日后将这一高端半导体材料的生长技术纳入到更广阔的物理学范畴，为实现更深层次的研究奠定基础。.主要内容：项目从两个方向进行研究：一是决定横向生长的因素，即横向生长的驱动力，包括内部驱动力，即晶体内部结构决定的横向生长行为，和外部驱动力，即确定各种生长参数影响和控制横向生长的物理机制；二是横向生长所决定的因素，包括位错和表面形貌等微结构特征与横向生长有关的形成机制，以及此微结构对材料光学性质的影响。在研究过程中，赫尔曼哈肯的协同学和普利高津的耗散性理论被应用其中。.重要结果:.1.表面能是横向生长唯一的内部驱动力。外延的晶向相当于一个初始化的生长晶面，例如c面GaN异质外延，尽管c面表面能高而趋向于消失，但由于c面初始化面积大，而其它各面初始化面积为零，因此，生长形貌仍为c面显露。.2.系统偏离平衡态的程度是横向生长的外部驱动力。由生长条件所决定的生长的动力学过程，如反应原子在衬底表面吸附、扩散、成核和脱附，是通过改变系统偏离平衡态的程度来影响和控制横向生长的程度。无论是V/III比过低使Ga原子成簇，或是温度过低使得Ga原子迁移率降低，都会使生长偏离平衡，出现岛状成核，成为随机涨落的序参量，进一步役使着反应原子在岛的边缘的台阶处进一步成核，从而使岛沿横向和纵向进一步长大。台阶处的成核为这一过程的伺服机制。.3.GaN的表面坑是系统处于非平衡态下自组织形成的典型结构。如果螺位错露头处的螺旋结构中心和边缘不能处于相同的平衡态，则当位错中心的曲率达到关键尺寸时，边缘的加速度不能变为零，坑不断扩张长大，因此系统越接近平衡，局部平衡的范围越大，表面坑的尺寸越小；反之，系统越远离平衡，局部平衡的范围越小，坑的尺寸越大。.4.外延方向的变化不会造成表面坑形成机制的区别。a面GaN上同样存在如c面GaN一样由螺位错露头形成的表面坑，不但如此，带有螺型分量的不全位错露头也会形成表面坑，同时，c面GaN上也存在如c面GaN上一样由晶粒横向合并造的大型表面坑。