蓝宝石图案如何改写应变：从各向异性走向各向同性

对于异质外延，衬底不只是承载薄膜的载体。在r面蓝宝石这个天然带来各向异性晶格失配的体系中，衬底之上的图案构型，会直接决定外延薄膜的应变弛豫行为。本研究利用高分辨X射线衍射（HRXRD）、倒空间映射（RSM）定量解析平面模板、条纹模板、微棒模板三类蓝宝石基样品的应变状态。

应变表征方法：为什么这么复杂？

与c面GaN不同，(11–20)非极性GaN由于对称性降低，表现出各向异性双轴应变，进而导致正交晶系畸变。这给精确测定晶格常数带来了巨大挑战。

研究采用不对称(11–22)晶面的RSM测量，该晶面可以同时测定面内与面外晶格常数。蓝宝石衬底厚度为430 μm，远大于任何外延层厚度，因此蓝宝石峰可以作为参考基准。qx与qz坐标分别表示沿面内[0001]方向与面外[11–20]方向的晶面间距。

【图1】(11–22)晶面倒空间映射RSM图：(a)原生未过生长样品；(b)微棒模板过生长样品，蓝宝石衬底衍射峰作为参考基准

但仅使用沿[0001]方向获取的数据，不足以研究面内应变分布的各向异性。沿与[0001]方向垂直的m方向获取RSM数据同样必不可少。遗憾的是，沿该特定方向缺乏r面蓝宝石的XRD峰，因此该方向没有蓝宝石参考数据。

作为替代方案，研究采用Laskar等人提出的方法：先测量非极性GaN若干晶面——包括(11–20)、(2–1–10)、(11–22)、(10–12)、(20–20)、(21–30)、(21–32)——的晶面间距dhkl，然后考虑畸变效应，运用最小二乘法进行误差最小化处理，从而准确测定晶格常数。

核心公式为：

其中a与c为晶格常数，δ为基面角γ的偏移量，h、k、l为米勒指数。

应变计算与弹性参数

获得晶格参数后，即可计算三个方向的应变：沿[11–20]生长方向的面外应变εxx，沿[0001]方向的面内应变εzz，以及沿[1–100] m方向的面内应变εyy。沿生长方向的应力σxx自然为零，沿c方向与m方向的应力σzz和σyy则通过弹性刚度系数Cij计算。

未应变状态下GaN的基准参数：

三种蓝宝石基底模板的应变性能对比

所有样品的详细应变数据如下表所示（"+"表示拉伸应变，"–"表示压缩应变）：

1. 无图案平面蓝宝石原生样品

面内应变：ε₁₋₁₀₀ = –0.291%，ε₀₀₀₁ = –0.101%。[1–100]方向压缩应变接近[0001]方向的三倍，表现极强的应变各向异性。沿m方向的压应力σyy高达–1.049 GPa。

根源：r面蓝宝石与a-GaN两个方向巨大的晶格失配差异（[1–100]方向16% vs [0001]方向1%）。

2. 一维条纹图案模板样品D

面内应变：ε₁₋₁₀₀ = –0.178%，ε₀₀₀₁ = –0.080%。[1–100]方向应变约为[0001]方向的两倍，应变各向异性依然明显。

机理：生长从条纹侧壁起始，随后仅沿[0001]方向扩展，因条纹结构特征与基底融合，但在[1–100]方向下方形成空腔。因此，沿[0001]方向的过度生长可自由进行直至合并，而沿[1–100]方向的生长则因始终沿该方向排列的条纹而受到限制。应变松弛可轻易沿[0001]方向发生，但沿[1–100]方向则无法有效实现。

3. 二维棋盘微棒阵列模板样品A/B/C

以样品A（1100℃）为例：ε₁₋₁₀₀ = –0.150%，ε₀₀₀₁ = –0.158%。两个面内压缩应变数值非常接近，差异不足0.01个百分点。

这归因于微棒图案的二维构型：尽管不同方向生长速率不同，生长的GaN仍可在所有面内方向上横向扩展。最终，生长过程在所有方向上均完成融合并形成空穴。因此，这种生长模式促使所有方向上的应变得以松弛，形成各向同性的面内分布。

这项工作的核心亮点：在r面蓝宝石这种本征各向异性失配的衬底上，依靠二维图案化模板，抹平了两个正交方向的应变差距。器件层面的收益是——薄膜性能不再随晶向剧烈波动，器件版图设计、工艺开发难度大幅下降，对后续制备AlGaN/GaN异质结、LED器件至关重要。

应变随生长时间、温度的演化规律

【图2】(a)样品A/B/C的面外应变随过生长时间变化曲线；(b)面内应变随过生长时间变化曲线。插图：完全融合样品截面SEM，红色圆圈标记两类空腔（微棒间隙空腔、SiO₂掩模上方空腔），比例尺2 μm

实验设置三组生长温度：1100℃（样品A）、1120℃（样品B）、1140℃（样品C），生长时间跨度1000–8000 s。

1. 生长时间的影响

• 0–5000 s：随着生长时间增加，薄膜逐步融合，应变持续累积，应变数值不断增大。这个阶段生长从初始沿侧壁生长演变为近乎完全融合。

• 超过5000 s：薄膜宏观表面已经完全融合，微棒缝隙、SiO₂掩模顶部形成两类封闭空腔——一类形成于微棒之间，另一类形成于每个SiO₂掩模顶部。空腔可以进一步释放残余应力，应变数值反而逐步降低。

2. 生长温度的影响

沿所有方向的应变均随生长温度的升高而增大，这与热应变随生长温度升高而增大的事实相符。对比三组样品：

• 样品A（1100℃）：ε₀₀₀₁ = –0.158%，ε₁₋₁₀₀ = –0.150%；

• 样品B（1120℃）：ε₀₀₀₁ = –0.158%，ε₁₋₁₀₀ = –0.152%；

• 样品C（1140℃）：ε₀₀₀₁ = –0.169%，ε₁₋₁₀₀ = –0.164%。

温度升高40℃，面内压应变增大约10%，面外拉应变也从+0.102%升至+0.109%。在蓝宝石基底上做非极性GaN过度生长，生长温度是调控应变的关键工艺旋钮。

工程启示：蓝宝石衬底非极性GaN产业化思考

1. 一维条纹的局限：一维条纹图案能够一定程度降低位错、改善晶体质量，但无法解决应变各向异性的核心痛点。应变沿[0001]方向充分释放，沿[1–100]方向却被条纹结构锁住。

2. 二维微棒的突破：二维棋盘微棒模板在r面蓝宝石衬底上一举两得——既将位错密度从10¹¹/cm²降至6×10⁸/cm²，又实现了高度各向同性的面内应变分布。

3. 工艺权衡：生长时间太短，薄膜无法完全融合，表面粗糙；生长时间超过5000 s，虽然应力得到释放，但会保留内部空腔。空腔过多可能影响器件可靠性。温度同时影响晶体质量与热应变水平，需要折中优化。

4. 空腔的双面性：空腔既是应变释放的"功臣"（5000 s后应变下降），也是器件可靠性的潜在风险点。未来工艺优化需要在"充分弛豫"与"低空腔密度"之间找到平衡点。

r面蓝宝石是低成本非极性GaN的重要载体。衬底的价值不仅仅是机械支撑——衬底表面的图案化设计，可以同时调控缺陷演化路径和应变弛豫行为。二维微棒模板方案为蓝宝石衬底上制备高性能非极性氮化物功率器件、长波长LED，提供了一条可行的技术路线。对于蓝宝石衬底供应商而言，如何提供更高平整度、更低缺陷密度的r面蓝宝石，以及后续图案化加工的成本控制，将是非极性GaN产业化的关键竞争点。

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江阴晶沐光电新材料有限公司专注于半导体衬底晶圆片的研发、生产与全球销售。针对本文讨论的蓝宝石衬底外延场景，我们提供全系列蓝宝石衬底产品，覆盖氮化镓外延所需的全部晶向方案：

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