人工晶体学报

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，南京 210023

关键词：氮化镓,氧化物气相外延法,Ga2O,热力学计算,高生长速率,

基金：国家重点研发计划(2022YFB3605201);国家重点研发计划(2022YFB3605204);国家自然科学青年基金(62404097)

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Ga2O3高温反应生成Ga2O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-Ga2O3生成Ga2O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Ga2O饱和蒸气压随温度升高呈指数增长，利于Ga2O高效生成。基于Ga2O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-Ga2O3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Ga2O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 Ga2O3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 μm/h，6英寸可达约120 μm/h。

来源：2026年第2期

《人工晶体学报》期刊编辑部

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