生长GaN的垂直喷淋式MOCVD反应器设计综述
1 绪论
人类社会发展和文明进步的过程中，材料一直扮演着一个极其重要的角色，半导体材料更是现代科技进步中不可或缺的一环。以硅(Si)和锗(Ge)为代表的第一代半导体材料推动了晶体管和集成电路的发展，促进了计算机技术的进步；以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料则成为了制作光电子器件的基础。与前两代半导体材料相比，第三代半导体具有更宽的带隙、更好的导热性、更大的击穿电压，在克服了一系列制约其发展的因素之后，近十几年来取得了令人瞩目的迅猛发展。宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的典型代表，在光电子、高温、大功率器件和高频微波器件应用领域具有广阔的市场前景，是国防工业、信息产业、高新技术产业赖以生存的基础性材料，更加成为了目前全球半导体材料研究的前沿和热点。
1.1 GaN的发展历史
GaN是在1928年被人类首次发现的，约翰逊(Johnson)等人利用金属镓(Ga)和氨气(NH3)在高温条件下合成了GaN材料，这种新的材料很快吸引了研究人员的关注。利尔曼(Lirman)等人在1932年首次报道了GaN晶体的基本结构。但由于GaN体单晶材料异常难于获得，在相当长的一段时间里，GaN材料的研究进展缓慢。直到近30年后的1959年，马鲁斯卡(Maruska)等人利用氢化物气相外延的方法，首次成功的获取了GaN的单晶薄膜并研究了它的基本性质，发现了GaN是一种禁带宽度为3．39eV的直接带隙半导体材料。这一研究成果为GaN材料的发展注入了新的活力，重新激发了研究人员对GaN材料研究的热情。二十世纪70年代初期，Pankovo等人成功地利用GaN材料制成了金属．半导体型GaN发光二极管(LED)；80年代初，采用蓝宝石(Al2O3)作为衬底外延生长GaN薄膜的思想被Y．Ohki等人首次提出，但因为GaN材料与蓝宝石衬底之间存在较大的热失配和晶格失配，所以难以制备没有裂纹并且表面十分光滑GaN外延薄膜。为解决这一问题，研究人员提出了缓冲层的概念，Yoshida等人研究发现，外延薄膜和衬底之间的失配可以通过在衬底和外延层之间生长A1N缓冲层的方法来缓解，这样可以提高外延膜的光电特性；1986年，研究人员发现可以利用MOCVD技术生长高质量的GaN外延层，H．Amano等人成功地在蓝宝石衬底上利用此方法制备出了没有裂纹的且表面十分光滑的GaN；不久之后，H.Amano等人又通过利用电子束进行照射掺镁(Mg)的GaN，首次实现了P型掺杂，获得了P型GaN单晶，解决了长期以来P型参杂难以实现的问题。1991年，Nakamura等人对MOCVD反应
室进行了改进，设计出了新型的MOCVD系统，并用此系统获得了高质量的GaN外延薄膜；日本日亚(Nichia)公司以蓝宝石为衬底率先研制出了GaN蓝光LED，随后生产出了第一只蓝光发光二极管的商业产品，不久实现了GaN基蓝、绿光LED的商品化，在世界范围内掀起了研究GaN的热潮。1993年，M．A．Khan等人采用了薄AIN作为成核层，蓝宝石作为衬底，用LP．MOCVD的方法，成功制备了非故意掺杂厚度为600nm的n-GaN层，并以此作为晶体管的沟道层，首次获得了GaN金属．半导体场效应管(MESFET)，为GaN基器件的发展开辟了新的道路1997年，日亚公司又大大提高了蓝光激光二极管的工作寿命，使其超过了一千个小时。次年，美国APA光学公司在世界上首次实现了GaN基UV探测器的商品化。随后，Nichia公司又率先实现了InGaN基蓝紫色激光器的商品化，自此GaN产品的商业化进程日新月异，仅发表的文献数量就呈增指数增长，可以说GaN已经成为了宽禁带半导体材料中耀眼的新星。
1.2 GaN的基本性质
1.2.1 GaN的物理特性
氮化镓有三种晶体结构，分别为纤锌矿、闪锌矿和岩盐矿结构。其中六方纤锌矿结构是稳态结构，立方闪锌矿结构是亚稳态结构，而只有在极端高压下才会出现立方岩盐矿结构。
图1.1（a)为纤锌矿结构的氮化嫁，纤锌矿结构属于六方晶系，每个晶包含六个嫁原子和六个氮原子，晶格常数为a=