GaN材料的外延

本文列举氮化物在外延方面所改良的方式，使大家都能知道氮化物的发展进步过程并启发大家发展外延技术的思路。9

一．
氮化物外延所遇到的困难及改良

1、改善GaN与蓝宝石之间晶格不匹配的问题：在蓝光发光材料研究初期，大部分的研究人员都看好 ZnSe系材料，因为虽然与GaN相同，它们都有组成元素的高蒸气压(以GaN为例，其生长要在一万至两万大气压,温度在1500-1600℃左右)、不易形成p型半导体的缺点，但是GaN更面临到没有晶格常数匹配的合适衬底。但是当时日本的赤崎教授并没有放弃，并在1985年时使用MOCVD法以较低温在蓝宝石衬底上先长出一成AlN缓冲层，再生长GaN外延层，结果不但解决了直接将GaN生长在蓝宝石上所产生的外延面不平坦及龟裂问题，也为GaN材料带来了一线曙光。

2、GaN的p型参杂：1989年，赤崎博士和它的学生正以电子显微镜观察掺Mg的GaN外延片时，晶片上的光点因受到电子的冲击而越亮。事后再去测量电阻时竟发现电阻由刚生长时的108Ωcm降到35Ωcm左右而得到p型的GaN外延膜，但当时对于p型参杂的原因仍并不清楚。

3、MOCVD装置的再改良：双流式MOCVD及现场监测(in situ)外延法的建立。日本的中村博士在1990年9月时完成了双流式(Two Flow)MOCVD装置，并应用此系统直接在蓝宝石上长出GaN外延层，可得到当时最好质量且均匀的外延材料(其空穴迁移率为200cm2/V·S，比当时的50cm2/V·S高出许多)。但仍不够理想。同一年，中村博士使用红外线温度计观察 GaN外延的生长温度时发现温度在做周期性摆动，经过讨论后发现在有AlN缓冲层时生长的外延层中摆动的情形比没有AlN缓冲层还明显，这是因为外延膜面较为平坦之因。利用这个原理，便发展出实时观测(in situ)外延法的技术，对于GaN之后外延质量的控制有很大的贡献。

4、使用GaN缓冲层取代AlN：1991年，中村博士也许因考虑到专利问题，除了重复赤崎教授的AlN缓冲层实验外，也另外使用GaN缓冲层去长外延。在生长GaN外延层之前，先在蓝宝石上以低温450℃- 600℃长一层非晶GaN层。结果发现在其上所长出的GaN外延层在室温的空穴迁移率高达600cm2/V·S以上，比使用AlN缓冲层的 350~430cm2/V·S高出许多。但是到目前仍不知其原因。

5、GaN的p型参杂突破：1991年，正当中村博士以电子束照射掺Mg的 GaN时，意外发现晶面温度上升的很高，因此他怀疑p型化是否与温度有关。为了证明想法，他在真空或氮气中，利用400℃以上的热退火(Thermal Annealing)法处理刚长好的掺Mg的 GaN，结果发现可得到低阻p型GaN(使电阻由106Ωcm下降到2Ωcm)。使用这种热退火技术，可使整个外延层p型化非常均匀，而不像电子束照射法的晶面下1μm的p型化，而且也使p型化的制程更加简化。

p型化的原理：由于使用MOCVD生长GaN外延膜时，与生长无p型化问题的GaAs外延膜的程序差异，除了温度较高外，还有就是使用了氨气。因此可以推断GaN的p型化问题与氨气有关。因此将经过电子束照射p型化的掺Mg 的GaN外延片置于氨气与氮气中进行热退火，结果发现在氨气中超过400℃中进行热退火的晶片恢复成原来的高阻材料，但是在氮气中的晶片则没有多大的改变。经过近一步的分析得知，氨气在大于400℃时会分解出氢原子而与GaN中的Mg结合成Mg-H(Complex)，使Mg失去受主 (Acceptor)特性而起不了p型化的特性。但是在氮气的环境中，温度大于400℃时会使Mg-H中之H脱离，使Mg活化，产生低阻的p型GaN。这才解决了困惑十多年的问题。

此之后，GaN技术飞速发展，同质结构、异质结构、以及InGaN的外延技术也纷纷出现。

二．
InGaN蓝色激光现状：

1、多量子阱(MWQ)与AlGaN的Cladding层的应用：日本的赤崎教授在测量GaN多量子阱的激光光谱时发现，当量子阱的厚度低于3nm时，所产生的强度最高，光电局限性 (Confinement)因用了AlGaN的Cladding层而增加一倍左右。

2、AlGaN/GaN超晶格的Cladding层的运用：以前的激光用单层的AlGaN做的Cladding层，但是当超过某一特定的厚度(Critical Thickness)时，则会因为晶格不匹配而产生的应力发生裂痕。J.Yamamoto等人发现如果直接在GaN上面及下面长一层AlGaN，做成 AlGaN/GaN/AlGaN结构时，表面会有许多裂痕。但如果做成GaN/AlN多层超晶格(Superlattice)时则表面平坦无裂痕。日亚公司激光的Cladding层是用125层Al0.14Ga0.86N(25埃)/GaN(25埃)的结构。其p型Cladding层是用Mg掺杂，n型 Cladding层则是用Si掺杂，而GaN则无掺杂。这种掺杂法叫做调节掺杂(Modulation Doping)，可以减少电流经过时的电阻，也就是减少操作时的电压。

3、调节掺杂(Modulation Doping)：调节掺杂首先被用来做高迁移率的材料。如果SLS(Strained-Layer Super-lattice)中的AlGaN与GaN均用同一杂质掺杂，则激光操作时的电压为6-7V，但若只掺杂AlGaN而不掺杂GaN时则操作电压降为4-5V。因为双异质结构中有不同的能带宽度(Energy Bandgap)。电子的传导要靠热能放射(Thermal Emission)或隧道效应(Tunneling)所以会产生较高的电阻，也就会提高操作电压。而使用拋物线渐变层(Parabolically Graded Interface)并用MD则得到平坦的导电带。

4、横向再生长(Lateral Overgrowth)：使用横向再生长在有条纹(Stripe)的衬底上可减少穿透位错(Threading Dislocation)。A.Usui 使用这种衬底，先在(0001)蓝宝石衬底上用MOCVD法长1-1.5nm厚的GaN，再在其上成长约0.1μm厚的SiO2，然后用刻蚀法在 GaN<1100>方向形成宽约1.4μm，间距约7μm之条纹，然后在其上成长10μm以上厚度之GaN，形成平坦的面。 T.S.Zheleva等人指出用此法在SiC衬底上成长时，横方向的成长可逐渐减少穿透位错。一方面SiO2下面的穿透位错被SiO2挡住，而横方面可成长成低缺陷的材料。另一方面，在SiO2之间的穿透位错则会在SiO2上方被弯曲(Bend)，平行于结晶表面以致减少穿透位错。

透过以上的各种改良后的长晶技术，使得InGaN激光能在室温中达到连续操作一万小时。