HVPE 法 GaN 單晶摻雜研究新進(jìn)展

薩科微|其他|other else|

2023-03-14 09:07:07 585

摘要

相比于*代和第二代半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料具有更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、電子飽和速率、熱導(dǎo)率以及更寬的帶隙，更加適用于高頻、大功率、抗輻射、耐腐蝕的電子器件、光電子器件和發(fā)光器件的制備。氮化鎵 (GaN)作為第三代半導(dǎo)體材料的代表之一，是制作藍(lán)綠激光、射頻微波器件和電力電子器件的理想襯底材料，在激光顯示、5G 通信、相控陣?yán)走_(dá)、航空航天等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。氫化物氣相外延(Hydride vapor phase epitaxy, HVPE)方法因生長(zhǎng)設(shè)備簡(jiǎn)單、生長(zhǎng)條件溫和、生長(zhǎng)速度快，成為目前制備 GaN 晶體的主流方法。由于石英反應(yīng)器的普遍使用，HVPE 法生長(zhǎng)獲得的非故意摻雜 GaN 不可避免地存在施主型雜質(zhì) Si 和 O，使其表現(xiàn)為 n 型電學(xué)性質(zhì)，載流子濃度高，導(dǎo)電率低，限制了其在高頻大功率器件的應(yīng)用。摻雜是改善半導(dǎo)體材料電學(xué)性能最普遍的方法，通過(guò)不同摻雜劑的摻雜利用可以獲得不同類型的 GaN 單晶襯底，提高其電化學(xué)特性，滿足市場(chǎng)應(yīng) 用的不同需求。本文介紹了 GaN 半導(dǎo)體晶體材料的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，綜述了近年來(lái)采用 HVPE 法生長(zhǎng)高質(zhì)量 GaN 晶體的主要研究進(jìn)展；對(duì) GaN 的摻雜特性、摻雜劑類型、生長(zhǎng)工藝以及摻雜原子對(duì)電學(xué)性能的影響進(jìn)行了詳細(xì) 介紹。最后簡(jiǎn)述了 HVPE 法生長(zhǎng)摻雜 GaN 單晶面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，展望了 GaN 單晶的未來(lái)發(fā)展前景。

Ⅲ族氮化物作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，在光電子和微電子等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景，與之相關(guān)的材料生長(zhǎng)和器件研制受到了研究人員廣泛的關(guān)注，并取得了長(zhǎng)足的發(fā)展進(jìn)步。相比于*代和第二代半導(dǎo)體材料，以碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)和氮化鋁(AlN)為主的第三代半導(dǎo)體材料具有更高的擊穿電場(chǎng)、電子飽和速率、熱導(dǎo)率以及更寬的帶隙，更加適用于高頻、大功率、抗輻射、耐腐蝕的電子器件、光電子器件和發(fā)光器件的研發(fā) 制造。

相比于間接帶隙半導(dǎo)體 SiC 以及存在 p 型摻雜困擾的 ZnO，GaN 作為第三代半導(dǎo)體材料的代表屬于直接帶隙半導(dǎo)體，具有帶隙寬、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率高、介電常數(shù)小等許多優(yōu)良的性能。由于其優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械性能以及熱穩(wěn)定性，已廣泛應(yīng)用于藍(lán)綠激光器、射頻微波器件等光電子器件和電力電子器件中，在激光顯示、5G 通信、相控陣雷達(dá)以及智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，并逐漸成為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心支撐材料。

根據(jù)襯底材料的不同，GaN 分為同質(zhì)外延生長(zhǎng) 與異質(zhì)外延生長(zhǎng)。異質(zhì)襯底外延生長(zhǎng) GaN 材料時(shí)，由于異質(zhì)襯底與新生長(zhǎng)的GaN之間晶格常數(shù)與熱膨脹系數(shù)失配的存在，異質(zhì)外延會(huì)引起外延層強(qiáng)應(yīng)力的產(chǎn)生，導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)；此外，異質(zhì)襯底的電學(xué) 性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特性都會(huì)影響外延材料結(jié)晶質(zhì)量(表面形貌，缺陷密度，內(nèi)應(yīng)力)，與同質(zhì)外延相比所獲晶體質(zhì)量較差(晶片曲率大，位錯(cuò)密度高)。同質(zhì)外延能夠彌補(bǔ)異質(zhì)外延的不足，生長(zhǎng)獲得高質(zhì)量的晶體。由于GaN 外延生長(zhǎng)對(duì)襯底質(zhì)量的依賴性強(qiáng)，無(wú)法顯著提高新生長(zhǎng)晶體的質(zhì)量，需要高質(zhì)量的襯底進(jìn)行彌補(bǔ)，如何獲得大尺寸、高質(zhì)量的 GaN 單晶仍然是目前的研究重點(diǎn)。

相較于氨熱法、助溶劑法等方法，氫化物氣相外延(HVPE)法設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、生長(zhǎng)速度快，生長(zhǎng)得到的 GaN 單晶尺寸大、均勻性好，易于控制光電性能，成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，也是目前應(yīng)用最為廣泛也最有前景的 GaN 單晶商業(yè)生長(zhǎng)方法。由于 HVPE 石英反應(yīng)器的使用，使得 GaN 外延生長(zhǎng)過(guò)程中不可避免地?fù)饺肓耸┲餍碗s質(zhì) Si 和 O，而且 GaN 內(nèi)部的部分本征缺陷也是施主型的，使得非故意摻雜 GaN 呈現(xiàn)出 n 型的電學(xué)性質(zhì)。非故意摻雜 GaN 的本底載流子濃度高，導(dǎo)電率低，波動(dòng)范圍大，限制了其進(jìn)一步的研發(fā)應(yīng)用。

為了彌補(bǔ)非故意摻雜 GaN 電學(xué)性質(zhì)的不足，更好地利用 GaN 優(yōu)異的性質(zhì)，需要對(duì)其進(jìn)行高純度生長(zhǎng)或摻雜處理。通過(guò)對(duì)其摻雜可以獲得不同電學(xué)特性的 GaN 材料，提高其電化學(xué)特性，開(kāi)闊其應(yīng)用領(lǐng) 域。本文系統(tǒng)綜述了 GaN 晶體的 HVPE 生長(zhǎng)與摻雜的原理與最新研究進(jìn)展，介紹了各種類型摻雜原子對(duì) GaN 單晶生長(zhǎng)的影響，并對(duì) GaN 晶體 HVPE 生長(zhǎng)與摻雜的發(fā)展趨勢(shì)做出了展望。

1 GaN晶體

1.1 GaN 晶體結(jié)構(gòu)與缺陷

常溫常壓下 GaN 單晶為固態(tài)，具有三種晶體結(jié) 構(gòu)，分別為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)、立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)以及巖鹽礦結(jié)構(gòu)。在室溫常壓下纖鋅礦結(jié)構(gòu)是熱力學(xué)穩(wěn) 定結(jié)構(gòu)，屬于 P63mc 空間群，是 GaN 單晶最常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)。在纖鋅礦 GaN 結(jié)構(gòu)中，每個(gè)晶胞中存在六個(gè) Ga 原子和六個(gè) N 原子。在晶胞中每個(gè) Ga 原子均被距離最近的四個(gè)Ｎ原子包圍，形成配位四面體；同樣的，每個(gè) N 原子也被距離最近的四個(gè) Ga 原子包圍形成四面體配位，因此纖鋅礦結(jié)構(gòu) GaN 也可以理解為兩套六方點(diǎn)陣套構(gòu)形成，熱力學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(見(jiàn) 圖 1(a))。

由于六方結(jié)構(gòu)的特殊對(duì)稱性，六方 GaN 晶系可采用三軸米勒指數(shù)(hkl)進(jìn)行表示，也可采用四軸的米勒-布拉維指數(shù)(hkil)表示，其中 i=-(h+k)，雖然兩種表示方式效果相同，但是相比密勒指數(shù)，米勒-布拉維指數(shù)更普遍直觀，得到廣泛應(yīng)用。

在 GaN 晶體中，由于纖鋅礦結(jié)構(gòu)的非中心對(duì)稱性，導(dǎo)致不同方向觀察到的GaN晶體顯示不同的面：在 c 軸方向，即[0001]方向所指的面為 Ga 面，[000-1] 方向所指的面是 N 面(性能存在明顯差異，相比于 N 面，Ga 面更加穩(wěn)定)。由于晶體結(jié)構(gòu)的影響，晶體的 c 軸([0001])方向具有極性。根據(jù)晶面與[0001]方向所成夾角的不同將 GaN 的晶面分為三類：*種是與[0001]基矢垂直的極性面，也被稱為 c 面、基面或(000m)面；第二種是與[0001]基矢平行的非極性面，實(shí)際上只存在兩種非極性面，即 m 面{10-10}和 a 面{11-20}；第三種就是與[0001]基矢夾角介于 0°和 90°之間的半極性面(見(jiàn)圖 1(b))）。根據(jù) GaN 樣品的粉末 X 射線衍射結(jié)果可知，只有有限的晶面真正包含原子，潛在的半極性面有：{10-10}，{10-12}， {10-13}，{10-14}，{10-15}，{11-22}，{11-24}，{20-21}， {20-23}，{30-32}，{31-30}，{21-32}和{21-33}；目前以{10-10}，{10-13}，{10-14}，{11-22}，{20-21} 以及{31-30}為代表的半極性面已被發(fā)現(xiàn)并研究。

*晶體中的原子是嚴(yán)格周期性規(guī)則排列的，但生長(zhǎng)過(guò)程中缺陷的產(chǎn)生不僅破壞了晶體結(jié)構(gòu)的完整性，還會(huì)對(duì)晶體的性質(zhì)產(chǎn)生影響。因此研究晶體中缺陷的產(chǎn)生、相互作用以及對(duì)性能的影響對(duì)于提升 GaN 晶體的光電性能，提升 GaN 基器件的效率和穩(wěn)定性具有重要的意義。GaN 晶體生長(zhǎng)過(guò)程中缺陷的產(chǎn)生是不可避免的，根據(jù)尺度和形貌的不同，缺陷被分為四種[4]：零維缺陷，即點(diǎn)缺陷，與單個(gè) 原子的位置有關(guān)，如空位(VGa、VN)、間隙原子(Ni、 Gai、間隙雜質(zhì)原子)、替代原子(NGa、GaN、替代雜質(zhì)原子)，摻雜 GaN 就是通過(guò)晶體中雜質(zhì)原子形成點(diǎn)缺陷從而影響晶體的光電性質(zhì)。不同的點(diǎn)缺陷作為施主、受主或等電子雜質(zhì)發(fā)揮作用，GaN 中常見(jiàn) 的施主有 Ga 格點(diǎn)位置上的 Si、Ge 以及 N 格點(diǎn)位置的 O、S、Se 等；GaN 中常見(jiàn)的受主有 Ga 格點(diǎn)位置上的 Mg、Ca、Zn 以及 N 格點(diǎn)位置的 Fe、C、Si、 Ge 等。一維缺陷，也稱線缺陷，與某一個(gè)方向有關(guān)，如位錯(cuò)；二維缺陷，也稱面缺陷，與某個(gè)晶面有關(guān)，如晶界，晶面，堆垛層錯(cuò)；三維缺陷，也稱體缺陷，與體積相關(guān)，如空洞，裂紋，凹坑。

GaN 的禁帶寬度高達(dá) 3.4 eV，決定了 GaN 材料在近紫外與藍(lán)綠光光電器件等方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。高電子遷移率和高飽和電子速率意味著 GaN 可以被應(yīng)用于制作高速電子器件，尤其是二維電子氣中的高載流子遷移率使得 GaN 基 HEMT 器件得到廣泛應(yīng)用。而且相對(duì) Si 和 GaAs 等*、二代半導(dǎo)體材料而言，GaN 較高的熱導(dǎo)率與擊穿場(chǎng)強(qiáng)使得 GaN 基器件可以在嚴(yán)苛環(huán)境進(jìn)行大功率下工作，應(yīng) 用前景更為廣闊。

1.2 GaN 的 HVPE 生長(zhǎng)方法

GaN 的結(jié)晶是一個(gè)相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程，其在極高溫下熔化(>2500 ℃)，均勻熔化所需的 N2 壓力預(yù)計(jì)將高于 6 GPa，因此目前無(wú)法從熔融體中直接實(shí)現(xiàn) GaN 生長(zhǎng)。目前 GaN 的生長(zhǎng)方法有 HVPE 法、助溶劑法、氨熱法、高壓溶液生長(zhǎng)法(HNPS)以及化學(xué)氣相沉積(CVD)等方法。相比于氨熱法、助溶劑法等傳統(tǒng)方法，HVPE 法具有生長(zhǎng)條件溫和、生長(zhǎng)設(shè)備要求低，生長(zhǎng)速率快(高達(dá)每小時(shí)數(shù)百微米)、工藝可重復(fù)性高、容易摻雜等優(yōu)點(diǎn)，成為 GaN 商業(yè) 制備應(yīng)用最為廣泛的方法，也被認(rèn)為是最具有潛力的生長(zhǎng) GaN 晶體的方法。HVPE 法的生長(zhǎng)速度主要取決于反應(yīng)器的幾何形狀、源氣體流量以及生長(zhǎng)溫度。采用 HVPE 法可以快速生長(zhǎng)出低位錯(cuò)密度的厚膜，其缺點(diǎn)是很難將膜厚進(jìn)行精確控制，反應(yīng)氣體 HCl 對(duì)設(shè)備具有一定的腐蝕性，影響 GaN 材料純度的進(jìn)一步提高。

HVPE 是基于氣相的生長(zhǎng)方法。主要機(jī)理為在低溫區(qū)(~850 ℃)金屬 Ga 與 HCl 反應(yīng)形成的 GaCl 作為 Ga 源與作為 N 源的 NH3通過(guò) N2和 H2的混合載氣運(yùn)送到高溫區(qū)(~1040 ℃)的襯底表面在壓力低于 1 個(gè)大氣壓下反應(yīng)生成 GaN，反應(yīng)公式如下所示 (反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖 2 所示)。

HVPE 生長(zhǎng) GaN 具有兩種生長(zhǎng)模式：低溫(Low temperature, LT)模式和高溫(High temperature, HT) 模式。在這些模式下生長(zhǎng)的薄膜因表面粗糙度、凹坑的密度和形狀以及生長(zhǎng)應(yīng)力值不同而存在明顯差別。HT 模式下表面光滑，但生長(zhǎng)應(yīng)力高，容易產(chǎn)生裂紋。LT 模式下表面粗糙，具有高密度的 V 型凹坑，但這種薄膜沒(méi)有裂紋。

目前制備 GaN 器件最常用的襯底為 SiC、藍(lán)寶石(Al₂O₃)、AlN 等異質(zhì)襯底材料，但是由于異質(zhì)襯底與 GaN 之間晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配的存在，會(huì)對(duì)生長(zhǎng)所得晶體的質(zhì)量、性能產(chǎn)生不可避免的影響，降低器件的使用壽命和可靠性。同質(zhì)襯底能夠減少應(yīng)力和開(kāi)裂，提高其性能。

生長(zhǎng)工藝對(duì)晶體質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生較大影響。通過(guò)生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)溫度、流量以及 V/Ⅲ的調(diào)整可以有效地提高 GaN 的晶體質(zhì)量。由于同質(zhì)襯底的缺乏，異質(zhì)外延仍為 GaN 晶體生長(zhǎng)的主流選擇，解決異質(zhì)外延過(guò)程中因失配造成應(yīng)力尤為重要。其中最為嚴(yán)重的影響當(dāng)屬GaN與異質(zhì)襯底間由于晶格失配和熱失配而造成的開(kāi)裂，限制了大尺寸單晶的完整獲取，為了避免開(kāi)裂，以襯底預(yù)處理為主的輔助技術(shù)應(yīng)運(yùn) 而生。對(duì)襯底進(jìn)行蝕刻預(yù)處理以及緩沖層的加入也能夠降低生長(zhǎng)所得晶體內(nèi)缺陷(位錯(cuò))的密度，提高 GaN 的晶體質(zhì)量。多孔襯底是半導(dǎo)體生長(zhǎng)技術(shù) 中實(shí)現(xiàn)低位錯(cuò)密度的簡(jiǎn)單方法，為晶格失配材料的異質(zhì)外延生長(zhǎng)提供了可靠的應(yīng)用，顯著降低異質(zhì)外延過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，提高外延層的光學(xué)質(zhì)量。Liu 等在 2021 年通過(guò)將低溫 AlN 緩沖層以及 3D GaN 中間層結(jié)合的方式，利用激光剝離技術(shù)(Laser lift-off technique, LLO)成功在藍(lán)寶石襯底上獲得高晶體質(zhì)量的 2 英寸無(wú)裂紋自支撐 GaN，進(jìn)一步提高了 GaN 外延薄膜的晶體質(zhì)量。在 LLO 操作中，激光輻射通過(guò)藍(lán)寶石，被界面處的 GaN 吸收并迅速分解成金屬 Ga 和 N₂，然后產(chǎn)生的 N2 膨脹將界面的兩側(cè)分離，完成 GaN 的分離。激光掃描速度、激光強(qiáng)度、環(huán)境壓力條件等操作參數(shù)都會(huì)影響分離的 GaN 材料的質(zhì)量，需要對(duì)其精確調(diào)整。在激光發(fā)射后，GaN 薄膜中的壓縮應(yīng)力主要來(lái)自于 GaN 薄膜與藍(lán)寶石襯底之間的熱失配。由界面 GaN 分解形成的 N2 的蒸發(fā)壓力和應(yīng)力釋放會(huì)造成開(kāi)裂，通過(guò) 增加 GaN 厚度減少壓縮應(yīng)力，能夠更容易實(shí)現(xiàn) GaN 的激光剝離。

1.3 HVPE 法生長(zhǎng)

GaN 晶體進(jìn)展 GaN 的晶體生長(zhǎng)進(jìn)展穩(wěn)步推進(jìn)，國(guó)外機(jī)構(gòu)以波蘭物理研究所，日本的三菱、住友、SCIOCS，美國(guó) 的 Kyma 等公司的研制研發(fā)*；我國(guó)在 GaN 半導(dǎo) 體材料領(lǐng)域起步較晚，但已有較多相關(guān)基礎(chǔ)研究技術(shù)儲(chǔ)備，其中蘇州納維、中鎵 2 英寸 GaN 晶體已實(shí) 現(xiàn)量產(chǎn)，山東大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司第四十六研究所等單位也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

2018 年日本 Fujikura 等在一種新型晶體硬度控制的基礎(chǔ)上，通過(guò) HVPE 成功地實(shí)現(xiàn)了無(wú)大缺陷、 2~6 英寸 GaN 體晶體的制備。位錯(cuò)是晶體質(zhì)量的一大特征，F(xiàn)ujimoto 等使用 SiO₂ 六邊形掩膜進(jìn)行兩步平滑面生長(zhǎng)，有效地提高了獲得的 GaN 晶體的晶格曲率和晶體質(zhì)量，位錯(cuò)密度降低至 6.8×10⁵ cm^-2 ；Yoshida團(tuán)隊(duì)利用三維生長(zhǎng)區(qū)以消除c平面來(lái)抑制籽晶位錯(cuò)的傳播，成功獲得位錯(cuò)密度為 4×10⁵ cm^?2 的 2 英寸的 GaN 襯底，通過(guò)兩次生長(zhǎng)三維生長(zhǎng)區(qū)將位錯(cuò)密度進(jìn)一步降低至 10⁴ cm^?2。2020 年，日本三菱公司通過(guò)HVPE法在氨熱GaN籽晶上制備了低位錯(cuò)密度(1.4×10³ cm^-3 )的 GaN 單晶襯底。Jae- Shim 等采用兩步生長(zhǎng)法來(lái)釋放藍(lán)寶石襯底和外延 GaN 層之間的熱應(yīng)力，并通過(guò) LLO、三步拋光以及電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕(ICP-RIE)獲得可用于高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)的 2 英寸無(wú)弓形自支撐GaN 晶片。

中鎵半導(dǎo)體研發(fā)出位錯(cuò)密度低至 4×10⁵ cm^-2到 7×10⁵ cm^-2 范圍的 2 英寸 GaN 自支撐襯底產(chǎn)品，并已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)銷售。其提供的 Si 摻雜 2 英寸高導(dǎo)電率 GaN 自支撐襯底可用于藍(lán)綠光激光器和垂直型 GaN 功率器件；提供的 C 摻雜 2 英寸半絕緣 GaN 自支撐襯底可用于制備高性能微波射頻器件。山東大學(xué)晶體材料*重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也進(jìn)行了 GaN 單晶的生長(zhǎng)和加工研究。900 ℃以上 GaN 易發(fā)生分解，容易形成多孔結(jié)構(gòu)。通過(guò)高溫退火方法成功制備出了 2 英寸多孔 GaN 襯底以及 2 英寸自支撐多孔 GaN 單晶薄膜，詳細(xì)研究了退火時(shí)間和退火溫度對(duì)多孔 GaN 表面形貌、光學(xué)和電學(xué)性能的影響規(guī)律；多孔結(jié)構(gòu)使生長(zhǎng)界面形成空隙，有效阻斷位錯(cuò)降低應(yīng)力并實(shí)現(xiàn)與襯底分離，*在高溫退火多孔襯底上生長(zhǎng)并得到了高質(zhì)量自剝離的 GaN 單晶；并對(duì)制備的多孔襯底上外延生長(zhǎng)的 GaN 的成核階段生長(zhǎng)行為進(jìn)行了詳細(xì)研究。近期本研究團(tuán)隊(duì)采用 HVPE 生長(zhǎng)出 2 英寸 GaN 單晶，厚度可達(dá) 2.5 mm，表面平滑無(wú)坑。攻克了 2 英寸單晶同質(zhì)外延生長(zhǎng)關(guān)鍵技術(shù)，GaN 單晶(0002)面半峰寬為 48 弧秒，(10-12)面半峰寬為 67 弧秒，位錯(cuò) 密度 (Dislocation density, DD)低至 5×10⁶ cm^-2；加工出的樣片微觀平整，具有*的晶體質(zhì)量(見(jiàn)圖 3)，具體研究論文，后續(xù)詳細(xì)報(bào)道。

相比其他方法，HVPE 生長(zhǎng) GaN 速度快、成本低、設(shè)備工藝簡(jiǎn)單，在商業(yè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近幾年在*政策與市場(chǎng)行情的推動(dòng)下，HVPE 制備 GaN 的研究穩(wěn)步推進(jìn)，成果突出，具有較好的發(fā)展前景。

2 HVPE-GaN的摻雜與進(jìn)展

電學(xué)性能是 GaN 單晶襯底的核心參數(shù)，也是決定 GaN 單晶襯底能否實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。常規(guī) GaN 晶體的電阻都普遍偏低，限制了其在高頻大功率器件的應(yīng)用。摻雜是用來(lái)調(diào)控 GaN 晶片的電學(xué)特性的一種常用手段，雜質(zhì)和缺陷可以在禁帶內(nèi)產(chǎn)生能級(jí)，從而影響宿主材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。不同的摻雜源會(huì)對(duì) GaN 晶體不同的影響，產(chǎn)生不同的電學(xué)特性(n 型、p 型、半絕緣型)，在不同領(lǐng)域得到應(yīng) 用。

2.1 N 型 GaN 生長(zhǎng)

GaN 的早期制備主要為非故意摻雜，由于 GaN 內(nèi)部本征缺陷(如 N 空位)的存在以及石英反應(yīng)腔的使用不可避免釋放出的施主型雜質(zhì)(Si 和 O)，使其表現(xiàn)出 n 型的電學(xué)性質(zhì)。非故意摻雜 GaN 的 Si 和 O 屬于淺施主雜質(zhì)，襯底載流子濃度在 10¹⁶~10¹⁷ cm^-3 范圍內(nèi)，在低載流子濃度樣品中，Si 濃度高于 O 濃度，而在較高載流子濃度材料中，O 濃度比 Si 濃度高，電子濃度隨著 GaN 厚度的增加而降低，電阻率波動(dòng)范圍比較大，性能不穩(wěn)定，不適用于高功率(光電和電子)垂直器件，需要進(jìn)一步摻雜以滿足器件制造的需求。通過(guò)摻雜獲得的 n 型 GaN 襯底的載流子可以在器件的整體進(jìn)行有效地傳輸，顯著提高器件的功率和效率，被用于高功率垂直器件的制作。

Si 摻雜和 Ge 摻雜是實(shí)現(xiàn) n 型 GaN 最為常見(jiàn)的方式。在 HVPE 中，Si 摻雜源的選擇有很多。首先，像 MOVPE 一樣，可以考慮硅烷等氣體源，但是由于硅烷的熱穩(wěn)定性較差，到達(dá)襯底之前就會(huì)迅速分解，不是 Si 摻雜的最優(yōu)選擇；可以使用固體 Si 作為摻雜源與 HCl 進(jìn)行反應(yīng)生成 SiHCl₃，在高溫下，轉(zhuǎn) 變?yōu)?SiCl₂，然后被運(yùn)輸?shù)缴L(zhǎng)區(qū)，由于 Si 片在反應(yīng)后形貌發(fā)生變化影響摻雜量的控制，Lipski F通過(guò) HVPE 以 Si-Ga 溶液同時(shí)作為 Si 源和 Ga 源成功制備獲得 Si 摻雜 GaN；SiH₂Cl₂ 具有更高的熱穩(wěn) 定性，目前以 SiH₂Cl₂ 作為最為普遍的摻雜源，利用 HVPE 生長(zhǎng)得到的 GaN 具有*的晶體質(zhì)量 (設(shè)備結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 4(a))。Si 原子是 GaN 中的淺施主，可以提高 GaN 的費(fèi)米能級(jí)，因此，較高的 Si 摻雜濃度可以提高歐姆接觸的性能。而且適當(dāng)?shù)?Si 摻雜不會(huì)影響獲得的 HVPE-GaN 晶體的高結(jié)構(gòu)質(zhì)量。但是 Si 雜質(zhì)具有抗表面活性劑效應(yīng)，隨著摻雜濃度的升高會(huì)使 GaN 表面形成單原子層 SiGaN₃，引入排斥性的電偶極矩，阻礙 GaN 在表面的繼續(xù)生長(zhǎng)，導(dǎo)致表面形貌惡化，進(jìn)而限制了 Si 濃度的提高。由于 Si 原子與線位錯(cuò)之間的相互作用，Si 摻雜還會(huì) 導(dǎo)致GaN材料中的位錯(cuò)在位錯(cuò)攀升過(guò)程中發(fā)生傾斜，從而引入張應(yīng)力并導(dǎo)致 GaN 出現(xiàn)翹曲、開(kāi)裂等問(wèn)題，降低了臨界層厚度。Si 摻雜引起的拉伸應(yīng) 變廣泛存在于 GaN、AlGaN 和 AlN 中，這與所使用的生長(zhǎng)技術(shù)無(wú)關(guān)。位錯(cuò)密度越低，Si 摻雜和載流子濃度對(duì)拉伸應(yīng)力的影響就越弱。采用高質(zhì)量籽晶作為襯底可以有效降低 GaN 材料的位錯(cuò)密度，減少傾斜位錯(cuò)的存在，從而緩解 Si 摻雜 GaN 內(nèi)部的張應(yīng)力。Xia 等研究發(fā)現(xiàn)在相同的載流子濃度下， Si摻雜的高質(zhì)量體塊GaN的遷移率優(yōu)于具有較高位錯(cuò)密度的 GaN 襯底。用 Si 進(jìn)行摻雜可以獲得自由載流子濃度在 c 平面上非常均勻的高導(dǎo)電 n 型 HVPE-GaN 晶體(見(jiàn)圖 4(b, c)，載流子濃度僅在晶片邊緣存在細(xì)小偏差)。

除 Si 外，Ge 是一種非常有前途的 n 型 GaN 摻雜原子，與 Si 摻雜相比，Ge 是 GaN 生長(zhǎng)過(guò)程中的一種表面活性劑，其摻雜并沒(méi)有增加位錯(cuò)密度可以防止生長(zhǎng)過(guò)程中表面形態(tài)的惡化。Ge 的原子半徑接近 Ga 原子，Ge 雜質(zhì)的加入對(duì)于 GaN 晶格結(jié)構(gòu) 和應(yīng)力的影響要小于 Si 雜質(zhì)。GeCl₄ 是 GaN 生長(zhǎng)中 Ge 摻雜源的杰出選擇(設(shè) 備結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 5(a))，Iwinska 等發(fā)現(xiàn)在 H₂ 環(huán)境生長(zhǎng) 過(guò)程中，由于在生長(zhǎng)的晶體表面形成 Ge 液滴(Ge 的熔點(diǎn)低于 950 ℃)，阻礙晶體的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致晶體中形成凹坑，凹坑密度隨著 Ge 濃度的增加而增加，當(dāng)停止供應(yīng) Ge 前驅(qū)體時(shí)，凹坑可能會(huì)橫向過(guò)生長(zhǎng)，對(duì)相應(yīng)性能產(chǎn)生影響，以 N₂氣為載氣在結(jié)晶過(guò)程中可以不受其干擾，獲得高質(zhì)量的 Ge 摻雜 GaN(自由載流子分布均勻無(wú)波動(dòng)) (見(jiàn)圖 5(b))。位錯(cuò)傾斜并不依賴于摻雜劑的種類，與 Si 一樣，Ge 對(duì)于 n 型 GaN 的應(yīng)力演變具有相同的影響，也會(huì)在外延生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)引發(fā)拉伸應(yīng)力的位錯(cuò)傾斜，這主要是由于 Ga 空位的上升所引起的。Oshima 團(tuán)隊(duì)以 GeCl₄ 為摻雜源，利用 HVPE 生長(zhǎng)獲得 GaN 晶體表明即使在高 Ge 摻雜濃度下 GaN 仍然具有優(yōu)異的性能，是一種非常具有發(fā)展前景的 n 型 GaN 制備方法。通過(guò) Si 摻雜和 Ge 摻雜可以把 GaN 的載流子濃度提高到 10¹⁸ cm^-3 以上，滿足高功率(光電和電子) 垂直器件的需求；通過(guò)對(duì) n 型 GaN 的生長(zhǎng)與研究，有助于 GaN 性能的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與完善，其中降低位錯(cuò)密度緩解生長(zhǎng)過(guò)程中的應(yīng)力對(duì)于 n 型 GaN 制備高可靠性、高性能電子光電器件至關(guān)重要，對(duì)于 GaN 晶體應(yīng)用具有重要推動(dòng)作用。

2.2 p 型 GaN 生長(zhǎng)

P 型 GaN 可以用于藍(lán)綠光發(fā)光二極管、激光二極管等高效光電器件和優(yōu)良的熱電器件的制備，但是其制備比較困難，起步晚，制約了 p 型 GaN 基器件的發(fā)展與應(yīng)用。高摻雜濃度 p 型 GaN 需要提高(i) 發(fā)光 p-n 結(jié)的載流子注入效率；(ii)發(fā)光結(jié)構(gòu)中的電流擴(kuò)散；(iii)歐姆接觸參數(shù)以降低工作電壓并容忍光源的高輸出功率運(yùn)行所需的更高的正向電流。Mg 摻雜進(jìn)入 GaN 后和 GaN 晶體中殘留的 H 原子形成 Mg-H 中性絡(luò)合物，引起空穴補(bǔ)償，導(dǎo)致 Mg 的鈍化效應(yīng)，喪失其受主作用，導(dǎo)致高電阻，直到 1989 年 Amano 等利用低能電子束輻射(Low energy electron beam irradiation, LEEBI)外延處理?yè)诫s Mg 的GaN獲得低電阻p型GaN樣品真正開(kāi)啟P型GaN 的研究。目前 Mg 摻雜是迄今為止獲得 GaN 中 p 型電導(dǎo)率的*方法，Mg 摻雜 GaN 后系統(tǒng)的晶格常數(shù)和晶胞體積增大，同時(shí)能帶密度增加，系統(tǒng)的價(jià) 帶頂向高能方向移動(dòng)，并進(jìn)入費(fèi)米能級(jí)以上導(dǎo)致 GaN 呈現(xiàn) p 型導(dǎo)電，且其電學(xué)性能與 Mg 摻雜劑量以及退火工藝密切相關(guān)。

由于Mg摻雜在費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)了受主能級(jí)，使價(jià)帶頂進(jìn)入費(fèi)米能級(jí)以上，從而使 GaN 呈現(xiàn) P 型導(dǎo)電，摻 Mg 后價(jià)帶和導(dǎo)帶帶寬變窄，局域性增強(qiáng)， GaN 的價(jià)帶和導(dǎo)帶均向高能方向移動(dòng)，而導(dǎo)帶上移幅度較價(jià)帶大，導(dǎo)致禁帶寬度增大。通過(guò)對(duì) Mg 摻雜 GaN 介電函數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)在高能和低能區(qū)分別引入一系列新的介電峰，這些介電峰都與 Mg 原子的躍遷有關(guān)。同時(shí) Mg 的引入也使部分原有的介電峰向高能量發(fā)生了偏移。

MgO 的熔點(diǎn)約為 2800 ℃，蒸汽壓與石英基本相同，是 HVPE 體系中 Mg 摻雜源的一種很有吸引力的材料，通過(guò)與 HCl 反應(yīng)生成 MgCl 運(yùn)送到襯底進(jìn)行摻雜(反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 6(a))。近年來(lái)受到研究人員的廣泛關(guān)注，開(kāi)展了相關(guān)的一系列相關(guān)研究， Ohnishi 等利用 MgO 作為摻雜源，通過(guò)控制 HCl 流量調(diào)整 Mg 摻雜濃度，實(shí)現(xiàn) Mg 摻雜 GaN 的 HVPE 生長(zhǎng)，并研究了 Mg 濃度為 8.0×10¹⁸~8.3× 10¹⁹ cm^?3 的 p 型 GaN 層的電性能和結(jié)構(gòu)缺陷。Mg 摻雜濃度超過(guò) 5×10¹⁹ cm^-3 會(huì)導(dǎo)致自補(bǔ)償，并導(dǎo) 致自由空穴濃度的下降，不利于獲得高空穴濃度和低電阻率的 p 型 GaN (見(jiàn)圖 6(b))，不同溫度下的霍爾效應(yīng)測(cè)量結(jié)果表面，在重?fù)诫s Mg 的樣品中形成了錐體反域(PID)，PID中的Mg原子是非活性的，不作為受體，抑制了受體濃度的增加，而補(bǔ)償供體濃度增加，進(jìn)而導(dǎo)致空穴濃度的降低 (見(jiàn)圖 6(c))。

p 型 GaN 由于起步晚，工藝復(fù)雜，摻雜困難等因素導(dǎo)致研究進(jìn)展緩慢，而且 Mg 的電離能較大(約為~180 meV)，限制了 Mg 摻雜的 GaN 中空穴載流子濃度，對(duì)其電學(xué)性能產(chǎn)生影響。不過(guò)由于其獨(dú)特的光電性能可用于發(fā)光器件的制作，p 型 GaN 日益受到研究學(xué)者的關(guān)注，HVPE 法制備 p 型 GaN 的工藝研究相對(duì)缺乏，對(duì)其生長(zhǎng)方法和機(jī)制進(jìn)行深入研究與完善也將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展 GaN 發(fā)光器件的應(yīng)用。

2.3 半絕緣型 GaN 生長(zhǎng)

高電子遷移率晶體管(High electron mobility transistor, HEMT)等器件必須在半絕緣 GaN 基底上進(jìn)行制備，以克服寄生電容引起的信號(hào)損失。HVPE生長(zhǎng)半絕緣 GaN 有兩種方法。大多數(shù) HVPE 設(shè)備使用石英部件，無(wú)意中加入了 Si 和 O，產(chǎn)生了 n 型電導(dǎo)率，因此可以通過(guò)設(shè)計(jì)新型 HVPE 設(shè)備去除反應(yīng) 器中的石英以獲得高純度 GaN 晶體提高電阻率；在另一種方法中，可以有意地添加深能級(jí)摻雜劑來(lái)補(bǔ) 償無(wú)意的自由電子，一般是用深能級(jí)雜質(zhì)(Fe、Mn、 C)補(bǔ)償背景淺施主(Si 雜質(zhì)和 O 雜質(zhì))來(lái)實(shí)現(xiàn) (相應(yīng)半絕緣 GaN 晶片形貌見(jiàn)圖 7)，高濃度的淺施主需要更高濃度的補(bǔ)償雜質(zhì)，這可能會(huì)降低材料的固有性質(zhì)，因此降低晶體中的本征供體雜質(zhì)濃度也至關(guān)重要。

Bockowski 等測(cè)量了 GaN 中 Mn、C、Fe 摻雜劑的深受體能級(jí)的活化能，分別為 1.8、1 和 0.6 eV，摻 Mn 電阻率最高，摻 Fe 電阻率最低(見(jiàn)圖 8(a))。

在 GaN 中，作為過(guò)渡金屬(Transition metal, TM)， Fe^2+/3+電荷轉(zhuǎn)換能級(jí)靠近帶隙中間，這種效應(yīng)被重 Fe 摻雜利用以實(shí)現(xiàn)半絕緣性能，應(yīng)用于電子和光電器件，也是目前研究人員制備半絕緣 GaN 最常用的摻雜源。Fe 的摻入會(huì)使 GaN 晶體形成深受主中心，激發(fā)的空穴補(bǔ)償部分由于本征缺陷產(chǎn)生的電子，降低 GaN 中的自由載流子(電子)濃度，使室溫下的電阻率提高到 3.6×10⁸ Ω·cm，從而賦予材料高電阻特性(半絕緣性)；隨著 Fe 元素的摻入，GaN 晶體中的電阻率逐步提升(見(jiàn)圖 8(d))，且藍(lán)寶石襯底上的 GaN 外延層內(nèi)部殘余應(yīng)力的弛豫效應(yīng)隨 Fe 摻雜濃度的提升越發(fā)顯著。摻鐵 GaN 具有*的熱穩(wěn)定性，電阻率即使在 1050 ℃的退火溫度下也基本保持不變。但當(dāng) Fe 濃度過(guò)高時(shí)(≥1×10¹⁸cm^-3 )，雜質(zhì) 的引入可能會(huì)導(dǎo)致缺陷密度的增加，結(jié)構(gòu)質(zhì)量開(kāi)始惡化。與 FeGa 相比，F(xiàn)eN 和間隙構(gòu)型 Fei 上的 Fe 具有非常高的形成能(見(jiàn)圖 8(b))，F(xiàn)e 原子摻入 GaN 中通常占據(jù) GaN 晶格中的 Ga 位置。在高摻雜濃度中 Fe²⁺和 Fe³⁺同時(shí)存在，而在較低濃度的摻雜材料中只存在 Fe³⁺。由于 Fe³⁺的離子半徑小于 Ga³⁺的離子半徑，而且 Fe-N 鍵較 Ga-N 鍵短，F(xiàn)e 附近的 Ga-N 鍵長(zhǎng)增加，導(dǎo)致?lián)诫s后晶胞的 a、b 值略有增大，c 值略有減小。

由于摻 Fe GaN 的電阻率受 Fe 雜質(zhì)對(duì)無(wú)意摻雜的淺施主雜質(zhì)的補(bǔ)償所控制，GaN 中載流子濃度和遷移率均隨 Fe 濃度的增加而減小(見(jiàn)圖 8(c))。通過(guò) 降低背景雜質(zhì)濃度，可以大幅降低實(shí)現(xiàn)半絕緣電特性所需的 Fe 濃度。當(dāng) GaN 受到雙光子激發(fā)后，光產(chǎn)生的自由電子會(huì)被 Fe³⁺[⁴E(G)]俘獲，F(xiàn)e³⁺被電離為 Fe²⁺ ，由于 Fe²⁺ 與空穴之間的庫(kù) 倫作用， Fe²⁺[ ⁵T₂(D)]會(huì)俘獲空穴轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe³⁺[ ⁴E(G)]的激發(fā)態(tài)。這些載流子俘獲(Carrier trapping)過(guò)程給載流子復(fù)合提供了額外的路徑，降低了光生載流子的壽命 (見(jiàn) 圖 8(e))。Fe³⁺ + 2hω→ Fe³⁺+ eCB + hVB → Fe²⁺+ hVB → (Fe³⁺ )^* 由于載流子俘獲效應(yīng)，載流子的壽命顯著地縮短，且隨 Fe 濃度的升高線性降低。在高摻雜 Fe 濃度下(1×10¹⁹ cm^-3 )，等效載流子壽命可以降低至10 ps，比 Si 摻雜和非摻雜 GaN 晶體快了將近三個(gè)量級(jí)(見(jiàn)圖 8(f))。但由于 Fe 會(huì)產(chǎn)生寄生沉淀，F(xiàn)e 濃度存在摻雜上限，因此載流子的壽命不會(huì)無(wú)限減小。

HVPE 中的 Fe 摻雜常用的源材料是二茂鐵 (Cp₂Fe)，與起泡器一起使用以將源材料加入到 HVPE 氣體混合物中，但是 Cp₂Fe 會(huì)導(dǎo)致碳的無(wú) 意摻雜進(jìn)入材料。Fe 也可以以純金屬的形式在 HVPE 中用作摻雜劑(將 HCl 氣體流過(guò)純金屬)。二者的本質(zhì)都是通過(guò)與 HCl 反應(yīng)形成 FeCl₂ 傳送到襯底作為 HVPE 生長(zhǎng)表面上的摻雜物質(zhì)。

Iwinska 等利用氨熱 GaN 作籽晶，以固體 Fe 為摻雜源，采用 HVPE 法生長(zhǎng)了 GaN 晶體，獲得了 Fe和Mn共摻雜的GaN晶體。Freitas等[75]通過(guò)HVPE 采用一種新的鐵前驅(qū)體 Fe₂O₃ 作為摻雜劑(避免從有機(jī)金屬源吸收 C)，以補(bǔ)償普遍存在的 Si 和 O 淺施主雜質(zhì)，在 GaN/藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了厚的獨(dú)立摻鐵半絕緣 GaN 層。GaN 中的 Fe 濃度隨生長(zhǎng)速率的增大而減小，當(dāng) 以 Fe 摻雜 GaN 為襯底進(jìn)行外延生長(zhǎng)時(shí)，并且可以通過(guò)固相擴(kuò)散、表面偏析或氣相擴(kuò)散加入到外延生長(zhǎng)的未摻雜 GaN 中，影響器件的性能。Fe 在 GaN 摻雜中會(huì)產(chǎn)生寄生沉積，限制樣品摻雜濃度的進(jìn)一步提升，如何克服這一問(wèn)題，提高 Fe 的摻雜濃度仍是研究重點(diǎn)。

C 是另一種較好的半絕緣 GaN 摻雜劑，HVPE 中常以 CH₄、C₂H₄、C₅H12等含 C 氣體作為摻雜源。眾所周知，在 GaN 中的 C 雜質(zhì)，不僅作為供體，而且作為受體(不同環(huán)境下 CGa 和 CN 的形成能與費(fèi)米能級(jí)的關(guān)系見(jiàn)圖 9(a))，當(dāng) C 濃度低于 1×10¹⁹ cm^-3時(shí)，C 原子在 GaN 晶體結(jié)構(gòu)中占據(jù) N 原子位置 (CN)(見(jiàn)圖 9(b))，表現(xiàn)為深層受體，然而，隨著 C 摻雜濃度的過(guò)量，在 GaN 中形成了大量的 Ga 位 C(CGa)作為供體，補(bǔ)償 CN，從而降低深層受體的濃度。CN在 2.2 eV 附近產(chǎn)生黃色發(fā)光帶，在 2.9 eV 附近產(chǎn) 生藍(lán) 色發(fā) 光帶 (CN 躍遷發(fā) 光過(guò) 程見(jiàn) 圖 9(c))。C 摻雜雖然會(huì)產(chǎn)生與摻雜濃度相關(guān)的缺陷(見(jiàn)圖 9(d))，但不會(huì)對(duì) GaN 晶體的應(yīng)力和位錯(cuò) 增值產(chǎn)生影響，即使 C 雜質(zhì)濃度超過(guò) 1×10¹⁹ cm^-3， GaN 材料也能保持*的晶體質(zhì)量，，適度的碳摻雜甚至可能通過(guò)更強(qiáng)地降低邊緣位錯(cuò)密度來(lái)提高晶體質(zhì)量。通過(guò)控制 C 前驅(qū)體的輸入分壓調(diào)控 C 摻雜濃度可以獲得高達(dá) 10¹⁰Ω·cm 的室溫電阻率(見(jiàn)圖 9(e, f))。此外，有詳細(xì)的光電離光譜學(xué)研究表明， C 雜質(zhì)與 HEMT 設(shè)備中的陷阱中心相關(guān)，會(huì)導(dǎo)致設(shè) 備的電流崩塌，CN作為一個(gè)深層受體補(bǔ)償 n 型背景雜質(zhì)，從而抑制高電場(chǎng)下的泄漏電流，提高擊穿電壓；當(dāng)摻雜濃度過(guò)量，深能級(jí)受體對(duì) n 型背景雜質(zhì)的補(bǔ)償受到 CGa-CN自補(bǔ)償效應(yīng)的抑制，從而導(dǎo)致擊穿電壓的降低。

2021 年上海理工大學(xué)的賴云和鎵特半導(dǎo)體科技有限公司的羅等[85]利用 HVPE 以濃度為 5%的甲烷氣體為摻雜源，成功制備獲得四英寸自支撐半絕緣 GaN 晶圓片，制備所得晶片具有較高質(zhì)量(位錯(cuò)密度低于 10⁶ cm^-2，電阻率＞10⁹ Ω·cm)。Lyons利用光學(xué)實(shí)驗(yàn)和混合密度泛函理論計(jì)算，研究了 HVPE 生長(zhǎng)的C摻雜GaN的性質(zhì)證實(shí)光致發(fā)光測(cè)量結(jié)果顯示，黃色發(fā)光帶隨 C 濃度的變化，表明 GaN 中 C 的性質(zhì)隨著 C 含量的增加而發(fā)生變化。

半絕緣GaN具有較高的暗態(tài)電阻和*的光電特性、壓電特性以及較強(qiáng)的耐輻射能力，應(yīng)用范圍廣泛，發(fā)展勢(shì)頭較好。利用 HVPE 摻雜 Fe、C 等雜質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)半絕緣GaN生長(zhǎng)，方法簡(jiǎn)單，晶體質(zhì)量高，受到研究人員的廣泛青睞，具有較高的研究?jī)r(jià)值與商業(yè)價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

隨著 Si 材料的研究逐漸達(dá)到物理極限，GaN 因其優(yōu)異的性能被認(rèn)為是未來(lái)半導(dǎo)體行業(yè)的*材料之一而受到廣泛關(guān)注。GaN 作為第三代寬禁帶半導(dǎo) 體材料，具有耐腐蝕、高擊穿電壓、高電子遷移率以及高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，是制備激光器(LD)、發(fā) 光二極管(LED)、高電子遷移率晶體管(HEMT)、射頻器件(RF)以及電力電子器件的理想襯底材料，被廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電、激光顯示、軌道交通、相控陣?yán)走_(dá)和 5G 通訊等生產(chǎn)生活以及國(guó)防安全領(lǐng)域。相比于其它的 GaN 制備方法，HVPE 方法因其快速的生長(zhǎng)速率、溫和的生長(zhǎng)條件以及低廉的生長(zhǎng)成本，具有廣泛的應(yīng)用前景，是目前研究重點(diǎn)之一。由于 HVPE 中石英腔的普遍使用，非摻雜 GaN 中存在固有施主雜質(zhì)(Si、O)，使其表現(xiàn)為 n 型導(dǎo)電性質(zhì)，往往引起寄生電壓、電流泄漏等問(wèn)題，并且由于電阻率低，波動(dòng)范圍大的原因，使其不適合直接應(yīng)用于實(shí)際器件的制造方面。通過(guò)制備過(guò)程中不同摻雜劑作為摻雜源的使用，可以獲得不同類型的摻雜 GaN，改善其電學(xué)性能，擴(kuò)展應(yīng)用范圍(見(jiàn)表 1)；通過(guò) Si 摻雜和 Ge 摻雜可以獲得 n 型 GaN，把 GaN 的載流子濃度提高到 1018 cm-3 以上，滿足高功率(光電和電子)垂直器件的需求；利用 Mg 摻雜獲得的 p 型 GaN，由于其獨(dú)特的光電性能可用于發(fā)光器件的制作；利用 Fe、C 等深受主雜質(zhì)制備獲得的高電阻半絕緣 GaN 具有用于制造橫向?qū)щ娖骷臐撛谀芰Γ?HEMT，其制備工藝簡(jiǎn)單，性能優(yōu)異，并提高了器件長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，具有十分廣泛的應(yīng)用前景，成為科研工作者的研究重點(diǎn)。

目前 GaN 晶體 HVPE 生長(zhǎng)存在著晶體生長(zhǎng)普遍的問(wèn)題，即生長(zhǎng)工藝的研究先于生長(zhǎng)機(jī)理的研究。隨著 GaN 生長(zhǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，生長(zhǎng)機(jī)制的缺乏也將限制著晶體生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)一步提升；為此，生長(zhǎng) 工藝與機(jī)理的研究必須雙管齊下，要理論聯(lián)系實(shí)際，推動(dòng) HVPE-GaN 晶體完善與進(jìn)步。對(duì)于 GaN 的摻雜，要進(jìn)一步降低晶體材料本身的缺陷，提升摻雜水平，優(yōu)化晶體性能。隨著 HVPE-GaN 晶體生長(zhǎng)與摻雜工藝的提升，大尺寸、高質(zhì)量、性能優(yōu)良 GaN 晶體的實(shí)現(xiàn)，GaN 基底材料必將會(huì)在可高功率、高頻通信等領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用。

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