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作者：武文潇;于翔宇;甘云海;李悦文;郑有炓;张荣;修向前;
单位：南京大学电子科学与工程学院,江苏省第三代半导体与高能效器件重点实验室;
摘要：高速率外延生长是制备大尺寸氮化镓（GaN）衬底的关键。本研究提出了一种简洁无额外副产物的氮化镓高速外延生长策略，即利用金属Ga与Ga_2O_3高温反应生成Ga_2O作为镓源的氧化物气相外延（OVPE）法，结合热力学计算和生长实验分析，验证了其可行性，为高速率生长GaN提供了新的技术路径和理论支撑。热力学计算分析确定了Ga-Ga_2O_3生成Ga_2O反应的吉布斯自由能与温度关系，该反应在1 073～1 273 K具有显著的自发性，且Ga_2O饱和蒸气压随温度升高呈指数增长，利于Ga_2O高效生成。基于Ga_2O完全转化假设建立了GaN生长速率模型，计算了不同温度下Ga-Ga_2O_3反应及生成GaN的理论生长速率，并进行了OVPE生长验证。结果显示，理论与实测生长速率在镓源温度依赖性趋势上高度一致，但理论值约为实验值的5倍，据此推算实际转化效率约为20%。通过拟合分析，推导出更高温度（1 100～1 300℃）下Ga_2O的生成速率和GaN的理论生长速率，结合实验结果，可以得出：在1 mol Ga_2O_3与4 mol GaN的标准反应配比下，镓源温度为1 300℃时，2英寸（1英寸=2.54 cm）GaN衬底实际生长速率可达约1 080??m/h,6英寸可达约120??m/h。
关键词：氮化镓;;氧化物气相外延法;;Ga_2O;;热力学计算;;高生长速率
基金资助：国家重点研发计划（2022YFB3605201,2022YFB3605204）;; 国家自然科学青年基金（62404097）
