液相法氮化镓晶体生长研究

GaN是一种宽带隙半导体材料，具有高击穿电压、高的饱和电子漂移速度、优异的结构稳定性和机械性能，在高频、高功率和高温等应用领域具有独特的优势。在光电子和功率器件中具有广阔的应用前景。

在液相生长技术中，助溶剂法和氨热法是生长高质量GaN的有效方法，该论文全面总结了这两种方法生长GaN的研究进展，详细分析了这两种方法在提高晶体质量和尺寸方面的各种策略，并探讨了面临的挑战和可能的解决方案以及未来的发展趋势。

在常压下，不存在的单组分的GaN熔体。从熔体中生长GaN晶体需要6 GPa的高压和2200 ℃的高温。助溶剂法具有相对温和的生长条件。以Na助溶剂为例，添加Na金属增强氮的溶解度，降低了生长所需的压力和温度。Na具有低电子功函数易于释放电子。在气液界面的Ga-Na熔体中，Na破坏N≡N键，产生N3-离子可以稳定地存在于Ga-Na熔体中，其溶解度是在Ga中的上千倍。在温度和浓度梯度的作用下，N3-离子浓度逐渐达到饱和。到达一临界点后，氮化镓就会自发成核或在现有的GaN籽晶上生长。

助溶剂生长晶体方法，其生长速率相较较慢，且得到的晶体透明度往往不高。借助单点种子晶技术，我们可以显著提高晶体的质量。此外，复合添加剂技术能够改变晶体的透明度。多点种子晶聚合生长技术与助熔剂薄膜涂层技术结合，同时利用温度梯度和搅拌溶液技术，可更有效地控制和优化晶体的生长条件。将这些技术与使用更大的GaN籽晶衬底和更大的反应器相结合，我们可以整体上推动GaN晶体生长的规模和质量。这种集成化的方法为生长更大、更高质量的GaN晶体提供了有力的理论和技术支持。

氨热法生长GaN晶体分为溶解区和结晶区。在溶解区，GaN溶解在超临界氨水中， 加入矿化剂提高GaN的溶解度。溶解的原材料输送到结晶区生长结晶。氨热法因其卓越的结晶质量和成本效益，是最有前景的块状氮化镓晶体生长方法。这种方法可同时生长数百颗籽晶。尽管存在生长率低和设备要求苛刻等问题，但在碱性和酸性氨热法生长系统中，晶体的质量和尺寸都有了显著改善。碱性矿化剂的氨热生长起步较早，可更加稳定的生长出高质量晶体，酸性矿化剂具有生长速度方面优势。与HVPE生长技术相比，氨热法生长技术的位错密度更低，且无晶格翘曲。此外，它还能直接生长出高质量的非极性和半极性GaN衬底。