一些研究表明在低温GaN缓冲层生长前，在一定温度下，通入一定量NH3氮化Al2O3衬底对GaN外延层的质量影响很大。进一步研究表明，氮化衬底使衬底表面形成了一AlN多晶层。Uchida等人报导了在氮化衬底时，NH3与Al2O3衬底发生反应，N原子会取代O原子，并且向衬底内扩散形成一层平整的多晶AlN层，氮化衬底有一最佳时间，如果氮化衬底时间过长(或NH3流量过大)，过渡层将变得非常粗糙，导致高温GaN表面粗糙，质量变差。有研究表明合适的氮化衬底工艺能明显改善GaN质量，并认为在较高的温度下氮化衬底所得到的 外延层质量更好。最近一些研究表明，氮化衬底温度对GaN的极性有影响，从而影响GaN质量，在较低的温度下氮化衬底，反而更容易获得N极性表面的GaN薄膜，薄膜质量更好。本文采用Thomas Swan MOCVD设备，通过改变氮化衬底的温度和时间，系统研究了氮化衬底对GaN生长的影响。
1. 实验
本文采用的GaN样品是在Thomas Swan MOCVD设备上生长的，该设备配有激光实时反射干涉仪，可以对生长进行实时监控。采用的衬底是Al2O3(0001)面。以纯度达6N的三甲基镓(TMGa)和NH3分别为Ga源和N源。以SHi4和Cp2Mg分别为n型和p型掺杂剂。以高纯(9N以上)的N2和H2混合气作载气。生长具体过程如下:生长前先在1100℃通H2高温处理衬底10min，再降至所需温度通一定流量的NH3氮化衬底，然后在530℃生长厚度约20nm的GaN低温缓冲层，随后升温到1060℃恒温6min，使缓冲层重新结晶，之后在1030℃生长GaN层。
样品生长完后，用He-Cd激光器分别在室温下进行光致发光光谱(PL谱)测量，采用范德堡霍尔测量技术在常温下测试了其电学性能。样品的表面形貌和厚度是在日本奥林巴斯偏光干涉显微镜上进行测试的 。
2. 实验结果与讨论
图1显示了一标准GaN生长过程的激光实时反射干涉图谱(样品A)。入射激光波长为635nm。图中箭头a、b、c分别为GaN低温缓冲层生长、缓冲层重结晶、GaN生长的起始点。反射干涉强度大小含有样品表面的平整性以及外延层厚度等信息。GaN表面越平，反射干涉峰值强度计数越大。从图中可看出，随着GaN低温缓冲层的生长，其表面干涉计数迅速升高，表明 GaN已沉积在蓝宝石衬底上。在随后的升温重结晶过程中，缓冲层的干涉强度计数先是略有升高，然后迅速降低。表明在升温重结晶过程初期，GaN缓冲层表面变平，干涉强度计数略有升高;随后GaN在高温下逐渐分解，GaN缓冲层厚度变小，表面变粗糙，甚至形成岛状晶核，干涉强度计数迅速降低。在高温GaN生长初期，干涉强度计数迅速降低，这是由于GaN首先在粗糙表面生长，为三维生长模式，这使外延层表面变得更为粗糙;经过较长一段时间后，GaN岛之间逐渐联合，GaN由三维生长变为二维生长。最后，GaN表面变得平整，干涉强度计数上升至30左右。
图1 GaN样品生长过程的激光实时干涉图谱
表1列出了本文GaN样品的氮化衬底条件及电学性能测试结果。从表中可看出，与未氮化衬底的样品A相比，样品B在530℃氮化衬底60s，本底载流子浓度基本没有变化，但迁移率明显提高，由200cm2/(V·s)增大到340cm2 /(V·s)，表明样品B中缺陷对载流子散射的影响减少，GaN材料中的缺陷浓度降低。在800!氮化衬底20s(样品C)，GaN的载流子浓度为 4×1017cm-3，迁移率为80cm2 /(V·s)。表明GaN中的缺陷浓度增大，导致本底载流子浓度增大，缺陷对载流子散射影响增大。且在800℃下氮化时间越长(样品D)，其载流子浓度进一步升高，迁移率降低，表明GaN材料的缺陷浓度进一步增大。
表1 GaN样品的氮化衬底条件及电学性能测试结果
图2显示了样品B、C、D生长过程的 激光实时反射干涉图谱。样品A生长过程的激光实时反射干涉图谱见图1。图中箭头a、b、c分别为GaN低温缓冲层生长、缓冲层重结晶、GaN生长的起始点。从图中可看出，4个样品低温缓冲层生长、缓冲层重结晶、GaN生长的初期的激光反射干涉谱相似。但样品的后续GaN生长过程中激光反射干涉谱变化趋势相差很大。样品A和B在高温GaN生长初期，其干涉强度计数迅速降低，经过较长一段时间后，干涉强度峰值计数逐渐升高，并逐渐接近30。表明样品A和B的GaN外延层生长模式逐渐由三维生长转变为二维生长。样品C和D在高温GaN生长初期，其干涉强度计数迅速降低，经过一段时间后，干涉强度峰值计数逐渐升高，表明 GaN生长模式逐渐由三维生长向二维生长转变。但是，样品C和D的激光反射干涉强度计数上升到一定程度后，反射干涉强度峰值反而随GaN生长逐渐下降，表明其生长模式倾向于由二维生长转向三维生长。这一点也可从样品的表面形貌观察到。图3显示了4样品的表面形貌。在800℃，氮化衬底100s所生长的样品D表面很粗糙，可观察到大量的六角状岛，为GaN六方相晶粒。随着氮化衬底时间缩短，样品C表面六角状岛明显减少。在530℃氮化衬底60s所生长的样品B和未氮化衬底所生长的样品A表面基本观察不到六角状岛，表面较为平整。
图2 氮化衬底条件不同的GaN激光实时反射干涉图
一些文献也报导了氮化衬底时间过长，将导致外延层表面粗糙，他们认为这是由于氮化衬底使衬底表面变粗糙，由此导致外延层表面粗糙。对上述几个样品的实时干涉图谱分析 表明，导致外延层表面粗糙的主要原因可能是氮化衬底影响了后续高温GaN的生长模式，促使外延层三维生长。如样品C和D，在高温GaN生长初期，随GaN生长激光反射干涉强度计数逐渐上升，表明GaN生长模式逐渐由三维生长向二维生长转变。然而，其激光反射干涉强度计数上升到一定程度后，反射干涉强度峰值反而随GaN生长逐渐下降，表明其生长模式倾向于由二维生长转向三维生长。氮化时间越长，这种作用越明显。这可能是由于氮化衬底影响了外延层的应力大小或性质导致的。氮化衬底对高温GaN生长模式的影响机理还需进一步研究。
图3 氮化衬底条件不同的GaN薄膜表面形貌
图4显示了4个样品的室温光致发光光谱。从图中可看出，GaN样品均出现波长为364nm左右的带边峰以及550nm左右的黄带，此外，还出现波长约425nm左右的微弱的蓝带。其中，黄带和蓝带与杂质或缺陷有关。没有采用氮化衬底工艺生长的样品A的黄带与带边发光强度比约为0.9。在530℃氮化衬底60s，样品B的黄带与带边发光强度比减弱至0.6左右。但在800℃氮化衬底100s和20s的样品C和D的黄带与带边发光强度比上升为1.1左右。样品光致发光光谱表明合适的氮化衬底工艺能改善GaN外延层的发光性能，但氮化衬底 条件不合适，外延层发光性能变差以上结果表明，氮化衬底工艺对外延层生长模式、表面形貌、发光性能、电学性能均有显著影响。合适的氮化衬底条件可得到表面形貌、发光性能和电学性能均较好的GaN外延膜。实验表明，导致外延层表面粗糙的主要原因可能是氮化衬底影响了后续高温GaN的生长模式，促使外延层三维生长。这可能是由于氮化衬底影响了外延层的应力大小或性质导致的。
图 4 氮化衬底条件不同的GaN薄膜光致发光光谱
3. 结论
氮化衬底工艺对GaN外延层表面形貌、发光性能、电学性能有显著影响。合适的氮化衬底条件可得到表面形貌、发光性能和电学性能均较好的GaN外延膜。研究表明长时间氮化衬底使GaN外延膜表面粗糙的原因可能是由于氮化衬底影响了后续高温GaN的生长模式，促使GaN三维生长所导致的。