不同清洗程序对p-GaN表面的影响*
1. 概述
本工作讨论了不同清洗程序对金属-有机化学气相沉积在蓝宝石上生长的p型氮化镓（GaN）的影响。将清洁后的p-GaN表面转移到超高真空室中，并通过X射线光电子能谱仪进行研究。结果表明，用所谓的“食人鱼”（H2SO4:H2O2）溶液进行清洁会导致p-GaN上的碳（C）和氧（O）浓度较低。相反，仅使用乙醇（EtOH）的进行清洁，会导致表面碳和氧污染的增加。之后，清洁的p-GaN样品在各种温度下进行随后的真空热清洁，以实现原子级清洁的表面。X射线光电子能谱（XPS）测量揭示了pGaN表面上残留的氧和碳。因此，尽管热清洁降低了它们的峰值强度，但在真空下的热处理并没有完全去除这些有机污染物。碳和氧污染物的完全去除仅通过氩离子（Ar+）溅射实现，氩离子溅射伴随着p-GaN表面上的氮（N）的强烈耗尽。当用铯（Cs）薄层激活p-GaN时，这些处理会导致大量的表面缺陷，从而阻止负电子表面的形成。
2. 样品制备：蓝宝石基p-GaN薄膜
该研究使用来自我司的通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在蓝宝石（Al2O3）上生长的5μm厚p-GaN层。样品是Mg掺杂的，其载流子浓度范围为6*1016–1*1017 cm-3。
一个p-GaN样品在超声波浴中用99%纯EtOH清洗15分钟，而另一个样品用所谓的“食人鱼”（H2SO4:H2O2）溶液在140℃处理15分钟。在最后一步中，将样品浸入盐酸（36%）中，并用去离子水（H2O）冲洗。H2SO4:H2O2溶液是一种强氧化剂，可以去除大多数有机污染物，而HCl可以去除表面的金属离子。
将经化学清洗的湿样品在惰性气体气氛中安装在钼旗上，并在干燥的N2气氛下输送到超高真空（UHV）室中。在超高真空室中，使用热电偶进行热清洁。p-GaN表面上的温度用IR传感器测量。将超高压制备室直接连接到XPS，并在室温下研究每个处理步骤后的样品表面。样品在超高压条件下通过机械手从制备室输送到XPS室中。XPS样品架是一个自制的结构，将钼旗与样品放在顶部。
在湿法化学清洗、多次热清洗、Ar+辐照和Cs活化后，通过扫描电子显微镜（SEM）和能量分析对表面形貌进行了原位研究色散X射线光谱（EDX）。
3. 结论
通过研究MOCVD在蓝宝石上生长的p-GaN样品在不同溶液下清洁程序对表面的影响，结果比较如下：
1）仅用99%EtOH清洗：会导致C和O表面浓度的增加；
2）用“食人鱼”（H2SO4:H2O2）溶液清洗：在清洁的p-GaN表面上发现了低的C和O浓度；如图1所示：
图1 O 1s, C 1s和Ga 2p32光电子能谱：原始p-GaN表面(线0)，EtOH清洗后(线1)，“食人鱼”清洗后(线2)。
3）“食人鱼”（H2SO4:H2O2）溶液-真空热清洗：p-GaN样品在320℃和650℃之间的温度下进行真空热清洗，降低了C和O的峰值强度，从而降低了它们在表面上的相对浓度，如图2所示；
图2 不同温度下，真空清洗p-GaN表面的O1s和C1s光电子能谱
4）“食人鱼”（H2SO4:H2O2）溶液-600℃以上真空热清洗-Ar+照射：C和O杂质能够完全去除（如图3所示）但伴随N原子的强烈耗尽。Cs激活在p-GaN时，会导致大量表面缺陷（如图4所示），从而阻止负电子亲和势表面的实现。因此，没有接收到p-GaN光电阴极。
图3 O1s、C1s和Ga2p3/2光电发射光谱：p-GaN表面在650℃热清洁后（红色）；在1.5kV能量的Ar+照射后（绿色）
图4 （A） p-GaN表面样品SEM图像：在650℃下经历热清洁、Ar+溅射和Cs活化后的；EDX测量显示在位置1和2处N原子的耗尽；（B）由于Ar+溅射而产生的表面缺陷和破坏的p-GaN表面。
与通过MOCVD生长的p-GaN相比，通过其他方法生长的具有更高纯度且没有杂质的p-GaN代表了另一种选择。然而，剩余的表面杂质（特别是C和O）可能通过氦（He）、H+或氩团簇在低能量下的离子轰击去除。合适的溅射方法可以在不损坏p-GaN表面的情况下产生无碳p-GaN，这将导致更好的光电阴极性能。
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