GaN(0001)表面电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论平面波超软赝势方法计算了(2×2)GaN(0001)清洁表面的能带结构、态密度、表面能、功函数和光学性质.发现弛豫后GaN(0001)表面的能带结构发生较大变化,表面呈现金属导电特性,导带底附近存在明显的表面态,在偶极矩的作用下表面电荷发生转移,Ga端面为正极性表面;计算获得了GaN(0001)表面的表面能和功函数分别为2.1J.m^-2和4.2eV;比较分析了GaN(0001)表面和体相GaN的光学性质,发现两者存在较大差异.     

GaN(0001)表面的电子结构研究

报道了纤锌矿WZ(wurtzite)GaN(0001)表面的电子结构研究.采用全势线性缀加平面波方法计算得到了GaN分波态密度,与以前实验结果一致.讨论了Ga3d对GaN电子结构的影响.利用同步辐射角分辨光电子能谱技术研究了价带电子结构.通过改变光子能量的垂直出射谱勾画沿ΓA方向的体能带结构,与计算得到的能带结构符合得较好.根据沿ΓK和ΓM方向的非垂直出射谱,确定了两个表面态的能带色散 关键词： GaN 角分辨光电发射 全势线性缀加平面波 电子结构     

利用选择性外延法生长单芯片双波长白光InGaN/GaN多量子阱结构

为了制备单芯片无荧光粉白光InGaN/GaN多量子阱发光结构,利用选择性外延生长法在SiO2条纹掩膜板上生长出具有梯形形貌的GaN微面结构,并在该GaN微面结构上生长InGaN/GaN多量子阱结构,最终在单芯片上获得了双波长发光.结果表明:梯形GaN微面由(0001)和(11-22)面组成,两者的表面能和极性不同,并且在InGaN/GaN多量子阱生长过程中,In原子和Ga原子迁移速率不同,从而使得(0001)和(11-22)面上的多量子阱具有不同的发光波长;该性质可以使(11-22)面的微面量子阱发出蓝光(峰值波长为420nm),而(0001)面的量子阱发出黄光(峰值波长为525nm),最终形成双波长的复合白光外延结构.     

Cs/GaN(0001)吸附体系电子结构和光学性质研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论平面波超软赝势方法计算了 1/4ML Cs原子吸附 (2 × 2) GaN(0001) 表面的吸附能、能带结构、电子态密度、电荷布居数、功函数和光学性质. 计算发现, 1/4ML Cs 原子在 GaN(0001) 表面最稳定吸附位为 N 桥位, 吸附后表面仍呈现为金属导电特性, Cs原子吸附GaN(0001)表面后主要与表面 Ga 原子发生作用, Cs6s 态电子向最表面 Ga 原子转移, 引起表面功函数下降. 研究光学性质发现, Cs 原子吸附 GaN(0001) 表面后, 介电函数虚部、吸收谱、反射谱向低能方向移动.     

GaAs(111)衬底上生长的GaN的极性与生长方法和生长条件的关系

研究了在GaAs(111)衬底上生长的六角相GaN的极性的相关关系.在高Ⅴ/Ⅲ比的条件下用MOVPE和MOMBE方法生长的GaN的极性和GaAs衬底的极性一致;在(111)A-Ga表面上的生长层呈现Ga的极性,而在(111)B-As表面上的生长层呈现N的极性.然而,在低的Ⅴ/Ⅲ比,或采用一个AIN中间层的条件下,用HVPE和MOMBE方法在GaAs(111)B表面上生长的GaN呈现出Ga的极性.目前,其原因尚不清楚,但是这些结果表明采用HVPE生长方法或用一高温AlN阻挡层可以得到高质量的GaN.     

低覆盖度的Au/GaN(0001)界面的同步辐射研究

利用同步辐射光电子能谱研究了低覆盖度Au在GaN(0001)表面的初始生长模式,肖特基势垒高 度以及界面的电子结构.结果表明，Au沉积初始阶段有界面的化学反应,随后呈三维岛状生长 .由光电子能谱实验确定的肖特基势垒高度为14 eV. 通过对界面价带谱和Au 4f芯能级谱 的分析,确定了界面化学反应的存在.利用线性缀加平面波方法计算了GaN(0001)和Au的价带 态密度并分析了化学反应产生的机理,认为在初始阶段界面形成了Au_Ga合金. 关键词： 同步辐射 光电子能谱 Au/GaN欧姆接触 态密度     

低速高电荷态重离子辐照的GaN晶体表面X射线光电子能谱研究

利用低速高电荷态Xeq+和Pbq+离子对在蓝宝石衬底上生长的GaN晶体膜样品进行辐照,并利用X射线光电子能谱(XPS)对样品表面化学组成和元素化合态进行了分析.结果表明,高电荷态离子对样品表面有显著的刻蚀作用;经高电荷态离子辐照的GaN样品表面氮元素贫乏而镓元素富集;随着入射离子剂量和所携带电荷数的增大,Ga—Ga键相对含量增大;辐照后,GaN样品中Ga—Ga键对应的Ga3d5/2电子的束缚能偏小,晶格损伤使内层轨道电子束缚能向低端方向偏移.     

MOVPE生长GaN的表面反应机理

利用量子化学的 DFT 理论,对 MOVPE 生长 GaN 薄膜的表面初始反应机理进行研究。通过计算GaCH3和NH3在GaN(0001)-Ga面的4种吸附位的能量曲线发现,GaCH3在各吸附位的吸附能差值不大,因此容易在表面迁移;而NH3在各吸附位的吸附能差值较大,最稳定吸附位为Top位,迁移到其他位置需要克服较大能垒。在此基础上,提出了以NH3和 GaCH3为表面生长基元,在GaN(0001)-Ga面连续生长,最终形成环状核心的二维生长机理：在环状核心形成过程中,第1个GaN核生长需要3个NH3和1个GaCH3,可表示为Ga( NH2)3。第2个GaN核生长可利用已有的1个N作为配位原子,故只需2个NH3和1个GaCH3。2个GaN核可表示为( NH2)2 Ga-NH-Ga( NH2)2。第3个GaN核生长可利用已有的2个N作为配位原子,故只需要1个NH3和1个GaCH3。3个GaN核构成环状核心,可表示为Ga3( NH)3( NH2)3。后续的生长将重复第2个核和第3个核的生长过程,从而实现GaN薄膜的连续台阶生长。     

温度对GaN(0001)表面生长吸附SrO、BaO和TiO_2影响的理论研究

采用基于第一性原理的从头计算分子动力学方法,模拟了300、400、500、600和700℃下SrO、BaO和TiO_2分子在GaN(0001)表面吸附的动力学过程,研究了温度对原子运动轨迹、吸附能、界面电荷分布、稳定吸附方位和扩散系数的影响.温度不同,O-Ga成键时间不同,SrO分子中的O原子与GaN基底成键的Ga原子不同; TiO_2分子中O原子与GaN表面Ga原子成键的顺序也不同.温度对SrO、BaO和TiO_2分子在GaN(0001)表面的最终吸附形态和吸附方位有显著的影响.温度对不同吸附体系吸附能的影响也不相同;小分子在GaN(0001)基片表面优先吸附的顺序依次为TiO_2、SrO和BaO分子.数据分析显示SrO和BaO分子的最优生长温度是600℃,TiO_2分子的最优生长温度是500℃.     

Nitrogen Adatom Diffusion on a Ga－Rich GaN （0001） Surface

The diffusion of N adatoms on a Ga-rich GaN(O001) surface has been studied using density-functional theory.The configuration of Ga adatoms on a Ga-rich GaN surface has been identified. The first adlayer Ga adatoms are on top of the terminating substrate Ga atoms, and the outmost adlayer Ga adatoms exist randomly at the T4 or H3 sites. A very different diffusivity of N adatoms on a Ga-rich GaN(0001) surface has been found. The excess Ga adatoms on a GaN(0001) surface reduce the diffusion barrier by 0.75eV and influence the migration path. It seems that bilayer Ga adatoms are helpful for N atom diffusion.     

Polarity determination of wurtzite-type crystals using hard x-ray photoelectron diffraction

The surface structure of a single-crystal ZnO wafer was studied by angle-resolved x-ray photoelectron spectroscopy (ARXPS) using synchrotron radiation. As a result, well-defined x-ray photoelectron diffraction (XPD) patterns were obtained for the (0001) and (000$\overline{1}$) polar surfaces using the photoemission from the Zn 2p_3/2 and O 1s core levels. The XPD patterns were indexed assuming forward scattering of photoelectrons by neighboring ions. Further, the XPD patterns for the (0001) and (000$\overline{1}$) surfaces were different from each other, indicating the possibility for using the XPD technique for polarity determination.     

GaN nucleation on (0 0 0 1)-sapphire via ion-induced nitridation of gallium

The growth of epitaxial GaN films on (0 0 0 1)-sapphire has been investigated using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and low energy electron diffraction (LEED). In order to investigate the mechanism of the growth in detail, we have focused on the nitridation of pre-deposited Ga layers (droplets) using ion beam-assisted molecular beam epitaxy (IBA-MBE). Comparative analysis of XPS core-level spectra and LEED patterns reveals, that nitride films nucleate as epitaxial GaN islands. The wetting of the surface by GaN proceeds via reactive spreading of metallic Ga, supplied from the droplets. The discussed growth model confirms, that excess of metallic Ga is beneficial for GaN nucleation.     

Al2O3衬底无催化剂生长GaN纳米线及其光学性能

采用一种绿色的等离子增强化学气相沉积法,以Al2O3为衬底, Ga金属为镓源, N2为氮源,在不采用催化剂的情况下,成功制备获得了结晶质量良好的GaN纳米线.研究表明,生长温度可显著调控GaN纳米线的形貌,当反应温度为950℃时,生长出的GaN微米片为六边形;当反应温度为1000℃时,生长出了长度为10-20μm的超长GaN纳米线.随着反应时间增加, GaN纳米线的长度增加. GaN纳米线内部存在着压应力,应力大小为0.84 GPa.同时,也进一步讨论了GaN纳米线无催化剂生长机制. GaN纳米线光致发光结果显示, GaN纳米线缺陷较少,结晶质量良好,在360 nm处有一个较为尖锐的本征发光峰,可应用于紫外激光器等光电子器件.本研究结果将为新型光电器件低成本绿色制备提供一个可行的技术方案.     

GROWTH MODE AND SURFACE RECONSTRUCTION OF GaN(0001) THIN FILMS ON 6H-SiC(0001)

Two-dimensional growth of GaN thin films on an atomically flat C-face 6H-SiC(0001) surface prepared by ultra-high vacuum Si-etching is observed when using an AlN buffer layer in N plasma-assisted molecular beam epitaxy. Scanning tunneling microscopy and reflection high energy electron diffraction observations reveal a series of Ga-stabilized reconstructions which are consistent with those reported for an N-polar GaN(0001) film. The result, including the effect observed previously for GaN thin film on Si-terminated 6H-SiC(0001), agrees with the polarity assignment of heteroepitaxial wurtzite GaN films on polar 6H-SiC substrates, i.e., GaN film grown on SiC(0001) is <0001> oriented (N-face) while that on SiC(0001) is <0001> oriented (Ga-face).     

氮化镓/蓝宝石异质结构中极性的研究

用低压金属有机气相外延方法设备在蓝宝石衬底两个相反取向的C面上同时生长六方相氮化镓薄膜,对此进行了扫描电子显微镜、透射电子显微镜的分析和研究.发现当衬底表面是向籽晶面时,生长的六方相氮化镓薄膜为(0001)取向,而当衬底表面是背籽晶面时,生长的氮化镓薄膜则为(0001)取向.     

GaN薄膜的溶胶-凝胶法制备及其表征

采用溶胶凝胶法成功地制备出氮化镓薄膜.以单质镓为镓源制备镓盐溶液、柠檬酸为络合剂制备出前驱体溶胶，再甩胶于Si(111) 衬底上，在氨气氛下热处理制备出GaN薄膜.X射线衍射（XRD）分析及选区衍射分析（SAED）表明所制备的薄膜是六角纤锌矿结构GaN薄膜；XPS分析其表面，结果显示样品中的镓元素、氮元素均以化合态存在，且Ga：N约为1：1；PL谱分析结果表明所制备的薄膜具有优良的发光性能.     

Role of gallium wetting layer in high-quality ZnO growth on sapphire (0001) substrates

ZnO is a wide direct bandgap (Eg=3.37 eV at room temperature) II-VI compound semiconductor of wurtzite structure (a = 3.249 ? c = 5.207 ?. Compared to GaN and ZnS, ZnO has a larger exciton binding energy, ~60 meV (cf. ~25 meV for GaN and ~40 meV for ZnS), which is advantageous to realizing low-threshold excitonic lasers. Since optically pumped UV lasing of ZnO at room temperature was reported in 1997[1], much attention has been paid to the crystal quality improvement and p-type conduc…     

Properties of GaN on different polarity buffer layers by hydride vapour phase epitaxy

This paper reports on N-, mixed-, and Ga-polarity buffer layers are grown by molecular beam epitaxy （MBE） on sapphire （0001） substrates, with the GaN thicker films grown on the buffer layer with different polarity by hydride vapour epitaxy technique （HVPE）. The surface morphology, structural and optical properties of these HVPE-GaN epilayers are characterized by wet chemical etching, scanning electron microscope, x-ray diffraction, and photoluminescence spectrum respectively. It finds that the N-polarity film is unstable against the higher growth temperature and wet chemical etching, while that of GaN polarity one is stable. The results indicate that the crystalline quality of HVPE-GaN epilayers depends on the polarity of buffer layers.