【摘 要】
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由于GaN（Gallium Nitride）和衬底材料之间热膨胀系数和晶格常数不匹配使得在异质衬底上制备的器件内部会有较大的残存应力和位错密度,很大程度上制约了GaN基器件的发展。解决该问题的根本方法就是同质外延生长GaN,为了进行同质外延就需要大尺寸的GaN厚膜衬底。在多种GaN生长工艺中,HVPE（Hydride Vapor Phase Epitaxy）得益于于其较低的生长压力和较快的生长速度
【基金项目】
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国家自然科学基金（61774054 ）；
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由于GaN（Gallium Nitride）和衬底材料之间热膨胀系数和晶格常数不匹配使得在异质衬底上制备的器件内部会有较大的残存应力和位错密度,很大程度上制约了GaN基器件的发展。解决该问题的根本方法就是同质外延生长GaN,为了进行同质外延就需要大尺寸的GaN厚膜衬底。在多种GaN生长工艺中,HVPE（Hydride Vapor Phase Epitaxy）得益于于其较低的生长压力和较快的生长速度被认为是最有潜力制备GaN厚膜的方法。HVPE生长GaN常改变HCl流量调节Ⅴ/Ⅲ比控制生长速率,但是这会对设备造成损伤。并且由于HVPE通常在Al2O3上制备GaN,GaN厚膜与衬底的分离成为制备大尺寸无应力GaN厚膜的一个难题。论文优化HVPE制备工艺,研究两种不同的方法制备GaN厚膜,制备了GaN基欧姆接触紫外（UV）探测器,具体研究内容和成果如下:1.建立形态变化模型,对不同NH3流量对应的Ⅴ/Ⅲ比下晶体生长形态变化进行分析。发现在HVPE生长GaN过程中Ⅴ/Ⅲ比存在理想的取值区间,低Ⅴ/Ⅲ比条件下会导致形核密度低,横向生长缓慢,岛状颗粒难以合并;高Ⅴ/Ⅲ比会减小表面Ga原子的迁移率,也将导致横向生长速度较慢,此时的纵向生长速度较快,导致表面高度差异大,结晶质量差。最终得到当Ⅴ/Ⅲ比为21.250时,此时NH3流量为1700 cm~3/min左右,HCl流量为80 cm~3/min,生长速度为70μm/h,晶体表面形貌平整度适中,晶体的综合结晶质量最高。2.结合电化学腐蚀和高温氢气腐蚀,实现两步腐蚀制备多孔缓冲层。其中使用氢气代替氯化氢,减少对设备的损伤。使用两步腐蚀法处理衬底,电化学腐蚀工艺:腐蚀电压为20 V,腐蚀1 h,再将样品进行氢气腐蚀:温度维持1050℃,H2流速维持在1000 cm~3/min。样品在100 Torr压力下腐蚀20 min,再调节压力为700 Torr,腐蚀10 min。最后通过HVPE生长,快速降温获得了GaN厚膜。3.控制降温速率实现2英寸完整无应力GaN厚膜的制备。根据对照组实验和COMSOL仿真计算发现,降温速率会对GaN厚膜剥离产生影响,当衬底维持1200K高温不变,GaN的温度迅速从1200 K降低到500 K,此时GaN和Al2O3接触面处应力最大,便于剥离。根据仿真结果优化工艺,在200 s内,将承载GaN厚膜晶体的石墨托从0 mm（生长区域）下降到330 mm处,最终取出样品,得到2英寸无裂痕GaN晶圆片。4.由于异质外延GaN材料在器件应用上存在缺陷,所以使用Na助溶剂法生长高质量GaN晶体作为种子层,再利用HVPE法同质制备GaN。以此为基础制备了欧姆接触UV探测器,该光电导型探测器具有～1013jones的高探测率。并且该UV探测器响应速度快,器件的上升和衰减时间分别为100 ms和160 ms。
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