两种图案化蓝宝石基模板比拼：条纹模板 vs 微棒阵列模板
侧向外延过度生长（ELO）是降低氮化物外延层缺陷的经典手段。本研究全部实验基于r面蓝宝石衬底，开发并对比了两种图案化模板方案：传统一维条纹模板，以及本文创新的二维棋盘式微棒阵列模板。
样品完整制备流程
整个工艺链条分为五步：
1. 生长原生GaN模板：采用低压金属有机气相外延（MOVPE），使用高温AlN缓冲层方法，在r面蓝宝石衬底上先生长1 μm厚的原生(11–20)非极性GaN层，作为"原始生长"模板。
2. 沉积SiO₂掩膜：使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积150 nm厚的SiO₂薄膜。
3. 光刻+干法刻蚀：通过标准光刻技术，结合反应离子刻蚀（RIE）工艺，将SiO₂薄膜加工成规则排列的微棒阵列图案；再以SiO₂为第二掩模，利用标准电感耦合刻蚀（ICP）系统将下方GaN层刻蚀成规则排列的GaN微棒阵列，刻蚀一直进行到蓝宝石衬底表面。每个SiO₂微掩模保留在对应GaN微棒顶部。
4. KOH光增强化学刻蚀（PEC刻蚀）：使用含10%氢氧化钾（KOH）溶液进行光增强化学刻蚀。该刻蚀具有高度选择性——从[000–1]方向（氮面方向）部分去除GaN，而来自[0001]方向（c方向）的GaN晶面几乎不被刻蚀，SiO₂掩膜也不被刻蚀。最终将GaN微棒加工为蘑菇状结构。
5. MOVPE过度生长：将图案化模板重新装入MOVPE腔室，在不同温度条件下开展GaN过度生长实验。
蘑菇结构为什么重要？
沿[0001]方向（c方向）生长半极性或非极性GaN可实现无缺陷结构，而沿相反方向（即-c方向，[000–1]）生长则会导致缺陷有效渗透至所有上层材料。蘑菇状微棒结构的悬垂部分，可以物理阻挡-c方向的缺陷向上穿透，从而显著减少缺陷侵入，进一步提升晶体质量。
两套模板参数对比
【图1】规则排列微棒阵列模板俯视SEM图像，比例尺4 μm，呈现棋盘状构型
【图2】蘑菇形微棒模板横截面SEM图像，比例尺2 μm，可见SiO₂掩膜与GaN蘑菇悬垂结构
微棒模板上GaN过度生长形貌演变
研究设置不同生长时长（1000 s–8000 s），用SEM记录表面融合全过程。
【图3】微棒模板上非极性GaN随生长时间变化的俯视SEM图：(a)1000 s、(b)2000 s、(c)3000 s、(d)4000 s、(e)5000 s、(f)8000 s，比例尺4 μm
生长过程可分为四个阶段：
1. 1000 s（初期成核）：生长优先沿[0001] c方向启动，部分沿[1–100]与[–1100]方向进行，沿[000–1] -c方向的生长被蘑菇结构有效抑制。每个微棒外围长出截角棱柱结构，首次融合在1000 s前即已启动。
2. 2000 s（第一次融合）：微棒之间的间隙被横向生长完全填充，首次融合完成。此后垂直方向生长开始占据主导。
3. 3000–4000 s（第二次融合）：横向生长开始延伸至SiO₂掩模上方，外延出现大量半极性小晶面，不同微棒的外延层持续合并。
4. 5000–8000 s（完全融合）：逐步完成完全融合，最终获得光滑平整的外延表面。微棒间隙、SiO₂掩模上方会残留微小空腔。
条纹模板的几何局限
相比之下，一维条纹模板存在明显的几何局限性：生长从条纹侧壁起始，随后只能沿[0001]方向扩展，[1–100]方向的生长被条纹本身阻挡，侧向弛豫通道受限。最终在条纹下方形成空腔，但[1–100]方向始终受到条纹结构约束。
晶体质量对比：XRD摇摆曲线FWHM
由于非极性GaN的各向异性特性，必须测量XRD摇摆曲线FWHM随方位角的变化关系。当入射X射线束在非极性(11–20) GaN表面的投影与c方向平行时，方位角定义为0°；当投影沿[1–100] m方向时，方位角为90°。
【图4】原始生长样品、微棒模板过生长样品、条纹模板过生长样品的(11–20)轴上XRD摇摆曲线FWHM随方位角（0°–180°）变化关系
微棒模板得到了当时公开报道中r面蓝宝石基(11–20)非极性GaN的顶尖水平。透射电子显微镜（TEM）表征显示，位错密度从原生模板的~10¹¹/cm²下降至过生长样品的~6×10⁸/cm²——三个数量级的跃升。
核心机理：一维条纹仅能单方向释放缺陷；二维棋盘微棒阵列，面内两个正交方向都支持侧向生长，位错可以向各个侧面弯折湮灭。这就是为什么微棒模板在两个方向上的摇摆曲线半高宽都优于条纹方案。
晶体质量提升只是一半的故事。应变分布才是非极性GaN的最大痛点，下一篇将解析蓝宝石衬底上不同图案如何调控薄膜应变状态。
