利用自由基辅助溅射外延方法在低温下实现GaN薄膜的同轴生长

《Results in Surfaces and Interfaces》：Homoepitaxial growth of GaN thin film using radical assist sputter epitaxy method at low temperature

GaN薄膜在RaSE方法中通过优化III/V比例实现600°C低温高质量 epitaxial growth，但过程余量窄易形成Ga滴。氧杂质浓度显著高于氢杂质，为n型接触层提供优势，但p型薄膜需解决杂质问题。

　　在当前的研究中，科学家们利用一种名为“自由基辅助溅射外延（RaSE）”的方法，在600°C的基板温度下生长了无掺杂的氮化镓（GaN）薄膜。这种技术基于溅射原理，通过引入氮气（N?）的自由基，增强氮化反应效率，从而在较低温度下实现GaN薄膜的高质量生长。研究团队发现，在较低温度下，提高Ga的供给比例有助于获得更少缺陷和更光滑表面的薄膜，但这一过程的工艺窗口非常狭窄，容易在Ga过量的情况下形成Ga液滴，从而影响薄膜质量。此外，通过RaSE方法生长的GaN薄膜中存在大量氧（O）杂质，而氢（H）杂质则相对较少。这些杂质的存在在某些应用中可能具有优势，例如在需要高掺杂浓度的n型GaN薄膜和高温不耐受的接触层中，但它们也限制了该技术在p型GaN薄膜等其他领域的应用。

氮化镓因其宽禁带特性，在电子器件和光电器件领域具有广泛的应用前景。它具备高击穿电压和高电子迁移率，使得其在高功率半导体器件和发光二极管（LED）等应用中表现出色。然而，传统化学气相沉积（CVD）方法通常需要高温（超过900°C）才能获得高质量的GaN单晶薄膜，这不仅增加了生产成本，还可能对设备和材料造成额外的热应力，影响最终器件的性能。相比之下，溅射方法在设备成本和工艺控制方面具有一定的优势，尤其适合大规模生产。但该方法在低温生长时面临诸多挑战，包括Ga的熔点较低、容易形成液滴，以及难以有效控制Ga和N?的供给比例，从而影响晶体质量。

为了克服这些挑战，研究团队开发了一种基于感应耦合等离子体（ICP）自由基离子源的溅射外延系统，称为SEGul-200。该系统能够将高反应性的N?自由基直接供应到生长表面，同时减少对靶材表面的氮化作用。这种设计有效提升了氮化反应效率，同时避免了靶材表面过度反应带来的问题。通过调整Ga靶的溅射功率，研究人员在不同的Ga/N?供给比例下评估了薄膜的表面形貌和晶体缺陷。实验结果显示，当Ga供给比例较低时，薄膜呈现三维生长模式，表面粗糙且缺陷密度较高；而当Ga供给比例增加时，薄膜表面变得光滑，缺陷密度显著降低，但过高的Ga供给又会导致液滴的形成，从而影响薄膜的均匀性和质量。

研究团队进一步分析了不同生长条件下薄膜的晶体质量。通过X射线岩衍射（XRD）和X射线摇摆曲线（XRC）测量，他们发现当Ga靶的溅射功率为55 W时，薄膜的晶体质量最佳，其（0002）和（10-12）平面的半高宽（FWHM）值分别达到了188和247弧秒，与GaN模板基板的晶体质量相当。然而，在Ga靶溅射功率为65 W时，虽然表面更加光滑，但仍然存在Ga液滴的形成，这表明在Ga过量的情况下，液滴的生成成为影响薄膜质量的关键因素。因此，研究团队提出，需要在Ga和N?的供给比例之间找到一个合适的平衡点，以实现既无液滴又高质量的GaN薄膜生长。

此外，研究还发现，通过RaSE方法生长的GaN薄膜中存在大量的氧杂质，而氢杂质则较少。这些杂质的来源包括工艺气体中的残留、基板在转移过程中引入的杂质，以及设备内部的材料释放。氧作为GaN中的施主杂质，在n型GaN薄膜中可能具有一定的优势，例如可以提升电导率，有助于构建高掺杂浓度的接触层。然而，对于需要高纯度的p型GaN薄膜，氧杂质的存在则可能成为不利因素，因此需要进一步优化工艺，以减少这些杂质的引入。

为了进一步验证这些发现，研究团队还通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对薄膜的表面形貌进行了详细分析。结果表明，在Ga供给比例较低的条件下，薄膜表面呈现不规则的三维岛状生长模式，而随着Ga供给比例的增加，表面逐渐变得光滑，呈现出二维生长特征。这种表面形貌的变化与晶体质量密切相关，二维生长模式通常意味着更好的晶体取向和更低的缺陷密度。然而，过高的Ga供给也会导致液滴的形成，从而影响薄膜的均匀性和结构完整性。

在进一步的实验中，研究团队通过调整Ga靶的溅射功率和N?的流量，探索了RaSE方法的工艺窗口。他们发现，当Ga靶的溅射功率在55 W左右时，薄膜的表面形貌和晶体质量达到最佳状态，而当溅射功率增加到65 W时，虽然表面更加光滑，但液滴的形成成为主要问题。这表明，虽然Ga供给比例的增加有助于改善薄膜质量，但必须谨慎控制，以避免液滴的产生。研究团队还提到，由于Ga的熔点较低，在溅射过程中容易形成液滴，这对薄膜的均匀性和质量构成挑战。因此，他们提出，可以通过引入表面活性剂或其他技术手段，促进Ga原子在生长表面的迁移，从而减少液滴的形成，并通过氮气自由基照射等后处理技术进一步去除液滴。

研究团队还讨论了RaSE方法在工业应用中的潜力和限制。他们指出，虽然RaSE方法能够在较低温度下实现高质量的GaN薄膜生长，但其工艺窗口较为狭窄，这限制了其在大规模生产中的应用。此外，由于Ga的熔点较低，液滴的形成可能成为影响薄膜质量的关键因素。因此，未来的优化方向可能包括提高氮气自由基的生成效率、改进Ga靶的材料纯度、以及探索更有效的液滴去除技术。同时，研究团队还提到，尽管RaSE方法在生长n型GaN薄膜方面表现出色，但为了实现p型GaN薄膜的生长，必须进一步降低氧杂质的浓度，以满足高质量外延的需求。

在本研究中，研究人员通过实验验证了RaSE方法在低温度下生长GaN薄膜的可行性，并揭示了Ga/N?供给比例对薄膜质量的影响机制。他们发现，适当的Ga/N?比例不仅有助于减少缺陷密度，还能提升薄膜的表面平整度。然而，由于Ga和N?的供给比例调整范围有限，工艺窗口的扩展仍然是一个重要的研究方向。此外，研究团队还提到，虽然RaSE方法在低温度下具有优势，但在实际应用中仍需解决一系列技术难题，包括如何有效控制杂质浓度、如何实现均匀的薄膜生长以及如何提高生产效率。

研究的结论表明，RaSE方法能够在600°C的基板温度下实现高质量的GaN薄膜生长，尤其是在Ga供给比例较高的情况下。然而，该方法在获得无液滴、高质量薄膜方面仍面临工艺窗口狭窄的问题。此外，氧杂质的引入虽然在某些应用中具有优势，但在其他应用中可能需要进一步控制。研究团队认为，通过优化RaSE方法的工艺参数，可以进一步提高薄膜的结晶质量，扩展其应用范围，并推动GaN溅射技术在工业领域的进一步发展。未来的研究将聚焦于提升薄膜的均匀性、减少杂质含量、以及探索更高浓度掺杂的n型和p型GaN薄膜的生长技术。这些研究结果不仅有助于深化对GaN薄膜生长机制的理解，也为未来高性能电子器件和光电器件的开发提供了新的思路和技术支持。