InN生长：HPCVD方法及特性表征

### InN 生长：HPCVD 方法及特性表征 #### 1. InN 生长中的氨分解温度 在高压条件下，氨分解起始温度的降低对于 InN 生长的优化以及该材料系统中点缺陷化学的控制至关重要。氨分解研究表明，为使氨前驱体充分裂解，生长温度需高于 1000K。然而，文献中 OMCVD 生长 InN 的温度范围为 675K - 840K。在 HPCVD 条件下，生长温度可显著提高。 #### 2. HPCVD 生长 InN 的脉冲注入方案 HPCVD 生长需要控制气相反应以及营养物质向生长表面的有效扩散，因此采用了脉冲注入方案。TMI 和 NH₃ 前驱体在时间上受到控制，并嵌入由超纯氮气组成的高压载气流中，载气由液氮罐蒸发提供。总气体流量和反应器压力始终保持恒定。 - **关键参数**：循环序列的重复率、前驱体脉冲长度和在循环序列中的位置是关键的生长控制参数。对于后续详细讨论的 InN 层，循环序列时间为 4 - 10 秒，TMI 和氨脉冲宽度分别为 0.3 - 0.6 秒和 0.8 - 1.5 秒，脉冲间隔为 1 - 5 秒。 - **生长步骤**： 1. 将反应器上下部分对称嵌入的衬底加热至约 1150K - 1200K，并暴露于氨中 30 分钟。 2. 生长前，将温度降至生长温度。 3. 按图 16 所示顺序供应前驱体，启动 InN 生长。 ```mermaid graph LR A[加热衬底至 1150K - 1200K] --> B[暴露于氨 30 分钟] B --> C[降低温度至生长温度] C --> D[供应前驱体启动生长] ``` #### 3. 实时光学监测 - **监测方法**：通过沿衬底中心轴的集成光学端口，使用 UVAS 监测气体成分；通过蓝宝石衬底背面，使用 PAR 和 LLS 监测生长表面条件。 - **监测结果**： - PAR 信号的时间演变包含与生长表面和生长历史相关的关键信息。PAR 干涉条纹的发展提供了整体层生长的信息，而干涉条纹上的“精细结构”则提供了生长表面化学和动力学的见解。 - LLS 信号跟踪表面形态的演变，在薄膜成核阶段增加，在稳态生长阶段减少，表明表面变得光滑。 - **生长速率控制**：通过分析 PAR 信号，可以估计平均生长速率和薄膜与衬底介电函数的差异。通过改变每次注入脉冲中 TMI 和氨的浓度，每个循环序列的生长速率可以从亚单层调整到单层以上，实现纳米结构复合材料的精确生长。 #### 4. 生长过程的详细分析 通过分析 PAR 精细结构并将其与 UV 吸收轨迹关联，可以深入了解生长过程。例如，在 InN 成核阶段和稳态生长期间，观察到 PAR 和 UV 吸收轨迹的变化。 - **时间延迟**：前驱体注入时间与 UVAS 和 PAR 响应之间存在时间偏移，这是由于前驱体从阀门到衬底中心线的平均传播时间造成的。 - **成核标志**：首次引入 TMI - 氨组合后，PAR 响应大幅增加，表明 InN 成核开始以及生长表面附近存在 TMI 碎片。 - **稳态表面化学**：通常在 5 - 20 次循环前驱体暴露后，根据衬底温度、前驱体流量比、气相速度和反应器压力，达到稳态表面化学。 #### 5. InN 层的非原位表征 - **X 射线衍射**：对样品 #C 的 XRD 分析显示，在 31.265 处有单相 InN 衍射峰，对应于纤锌矿型 InN 的 (0002) 反射，半高宽约