通过添加锗（Ge）进行掺杂，制备出了高掺杂的N型氮化镓（GaN），其表面具有镜面般的特性

《CrystEngComm》：Heavily doped N-polar GaN with a mirror-like surface achieved via Ge doping

采用MOCVD法在2°和3°非极A面蓝宝石衬底上生长Ge掺杂N型GaN薄膜，发现当GeH4流量为156 nmol/min时，载流子浓度达1.46×10^20 cm^-3，同时表面粗糙度和迁移率与未掺杂样品接近。随着流量增加，掺杂浓度提升但迁移率下降，超过临界值后晶体质量恶化。研究表明N型GaN在维持高掺杂浓度时对晶体质量影响最小，适用于需要重掺杂层的器件

　　在近年来的半导体材料研究中，氮极性氮化镓（N-polar GaN）因其在电子器件和光电子器件中的广泛应用而受到广泛关注。特别是在高掺杂浓度的需求下，氮化镓的n型掺杂技术成为研究热点。高掺杂不仅能够提高材料的导电性，还对器件性能具有重要影响。然而，传统的硅（Si）掺杂方式在达到较高掺杂浓度时存在诸多问题，如表面形貌恶化、晶体质量下降以及应力引入等。这些问题限制了硅掺杂在某些高性能器件中的应用。相比之下，使用锗（Ge）作为掺杂元素，不仅能够实现更高的掺杂浓度，而且对材料的表面和晶体结构影响较小，这为高掺杂氮化镓的制备提供了新的可能性。

本研究采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在蓝宝石衬底上生长了氮极性氮化镓，并通过掺杂锗烷（GeH?）实现了高浓度的n型掺杂。实验中，我们使用了两种不同偏转角度的蓝宝石衬底，分别为2°和3°偏离A面的2A和3A衬底。通过控制GeH?的掺杂流量，我们成功获得了掺杂浓度高达1.46 × 102? cm?3的氮极性氮化镓薄膜。值得注意的是，在这一掺杂浓度下，样品的表面形貌和晶体质量几乎未受到明显影响，其表面粗糙度（RMS）仍保持在0.821 nm，电子迁移率（μ）为89 cm2 V?1 s?1，与未掺杂的氮极性氮化镓相比，表现优异。这一结果表明，GeH?掺杂在氮极性氮化镓的生长过程中具有良好的兼容性，为未来高掺杂器件的开发提供了重要的基础。

随着GeH?掺杂流量的增加，材料的掺杂浓度逐渐上升，但电子迁移率则呈现下降趋势。这说明，在掺杂过程中，虽然Ge的引入提高了载流子浓度，但同时也对材料的晶格结构造成了一定程度的扰动，进而影响了电子的运动特性。然而，值得注意的是，当掺杂流量增加到一定程度后，迁移率的变化趋于平缓，表明材料的性能已经接近极限。此外，当GeH?流量过高时，表面会出现明显的缺陷，如V形凹坑，这可能会对器件的性能产生负面影响。因此，为了在高掺杂浓度下保持良好的表面形貌和晶体质量，需要在掺杂流量的选择上加以控制，避免过量掺杂带来的不利影响。

在本研究中，我们通过原子力显微镜（AFM）对样品的表面形貌进行了详细表征。结果表明，当GeH?流量小于156 nmol min?1时，即使掺杂浓度已达到102? cm?3，表面粗糙度和形貌仍然保持稳定，几乎没有变化。然而，当GeH?流量进一步增加时，表面的不平整度明显增大，尤其是在高流量条件下，V形凹坑的出现使得材料的表面质量显著下降。这种现象可能与Ge原子在晶格中的分布和生长过程中产生的应力有关。此外，我们还通过X射线衍射（XRD）分析了样品的晶体质量，发现随着GeH?流量的增加，(002)晶面的半高宽（FWHM）值略有上升，表明晶格中可能出现了更多的螺旋位错。然而，与Ga极性和非极性氮化镓相比，氮极性氮化镓在相同掺杂浓度下表现出更优的晶体质量和表面特性。

为了进一步分析材料的应力状态，我们采用了拉曼光谱技术。在未掺杂的氮化镓中，E2（高）模式的拉曼峰位置为568 cm?1，而随着GeH?流量的增加，该峰位置发生了蓝移，表明材料内部存在压缩应力。然而，当GeH?流量增加到一定值后，压缩应力逐渐被释放，拉曼峰的位置又开始向红移方向移动。这一现象可能与Ge原子在晶格中的分布变化有关，尤其是在高掺杂浓度下，Ge原子可能会部分取代氮原子，从而改变晶格的应力状态。此外，我们还通过计算残余应力值发现，随着GeH?流量的增加，残余应力的变化趋势呈现出先增加后减少的特点。这说明，在掺杂过程中，Ge原子的引入会对晶格结构产生一定的影响，但当掺杂浓度达到一定水平后，这种影响会趋于平衡。

为了验证这一现象，我们对样品进行了二次离子质谱（SIMS）分析，以研究Ge、C和O的分布情况。结果表明，在0.1 μm的深度范围内，Ge的浓度始终保持在1 × 102? cm?3以上，而在更深的区域则逐渐下降至1 × 101? cm?3。这说明Ge的掺杂主要集中在材料的表层，随着生长厚度的增加，Ge的分布会逐渐稀释。此外，SIMS结果还显示，C的浓度在掺杂后有所上升，这可能与Ge和C在生长过程中对晶格结构的影响有关。然而，O的浓度变化不大，表明生长过程中对氧的引入相对较少，对材料的性能影响较小。

我们还对不同极性氮化镓（N-polar、Ga-polar和非极性）的Ge掺杂进行了对比研究。结果表明，氮极性氮化镓在相同掺杂浓度下所需的GeH?流量远低于Ga极性和非极性氮化镓。这说明氮极性氮化镓在Ge掺杂方面的效率更高，能够在较低的掺杂流量下实现更高的载流子浓度。同时，XRD和AFM的表征结果也表明，氮极性氮化镓在掺杂后表现出更优的晶体质量和表面特性，而Ga极性和非极性氮化镓在相同掺杂浓度下往往伴随着表面形貌的恶化和晶体质量的下降。这可能与不同极性氮化镓在生长过程中对掺杂元素的吸附和扩散行为不同有关。

本研究的成果对于未来高掺杂氮化镓器件的开发具有重要意义。通过GeH?掺杂，我们能够在不破坏材料表面和晶体质量的前提下，实现高浓度的n型掺杂。这种材料特性为功率电子器件、光电子器件以及高迁移率器件的制造提供了新的思路。此外，研究还发现，当GeH?流量超过一定阈值时，材料的表面形貌和晶体质量会受到明显影响，因此在实际应用中需要对掺杂流量进行精确控制，以确保材料性能的稳定性。同时，Ge掺杂对材料应力状态的影响也引起了我们的关注，尤其是在高掺杂浓度下，Ge原子可能对晶格结构产生复杂的相互作用，这些相互作用需要进一步研究以明确其对材料性能的具体影响。

综上所述，本研究通过MOCVD技术成功实现了氮极性氮化镓的高掺杂，不仅提高了载流子浓度，还保持了材料的优良晶体质量和表面特性。这一成果为未来高掺杂氮化镓器件的制备提供了重要的实验依据和技术支持。同时，我们对Ge掺杂过程中产生的表面缺陷和应力变化进行了深入分析，揭示了GeH?流量对材料性能的调控机制。这些发现不仅有助于理解Ge掺杂在氮极性氮化镓中的行为，也为优化生长工艺、提高材料性能提供了新的方向。未来的研究可以进一步探讨Ge在不同极性氮化镓中的掺杂机制，以及其对器件性能的具体影响，以推动高掺杂氮化镓在更广泛领域的应用。