GaN薄膜结构的水诱导表面氧化研究 *

1. 摘要

        使用一种新方法彻底研究了氮化镓（GaN）和水（H2O）之间的相互作用，该方法涉及通过聚焦离子束铣削技术制造明确的纳米级GaN薄膜。电学表征结果表明，室温下GaN表面暴露于水中会导致器件电阻率持续增加，这使得GaN薄膜成为稳定的极性液体传感器。为了解释GaN电导率降低与GaN表面水解离之间的关系，研究人员利用表面敏感的x射线光电子能谱和密度泛函理论计算来研究干和湿GaN表面的表面氧化。研究表明，水分子稳定地吸附在GaN表面上，即使表面被氧化，也有利于在GaN表面解离成氢原子和羟基。

2. 样品制备

        GaN薄膜由生长在电阻率低于0.05Ωcm、厚度约为30um的c轴（0001）蓝宝石衬底上的n型GaN膜（来自中芯晶研）制备。首先，通过在丙酮中超声处理GaN外延片；然后，使用FIB沉积1μm的Pt金属保护层；使用Ga离子蚀刻两侧并插入Omniprobe；通过离子诱导Pt沉积和薄膜U形切割来附着Omni探针以将其释放；而后将薄膜从GaN基板上提起，并附着在先前制造的金属电极（Ti/Al）上，去除Omni探针、Pt保护层。最后，使用5keV的低束能量和41pA的束流，进行了最终的薄化过程，得到了厚度仅为几百nm（~750nm）的GaN薄膜。然后使用曲线跟踪器和手动探头对GaN薄膜器件进行电学测量。当GaN表面暴露于H2O时，在室温下，测量的电阻率随时间连续惰性化，这可能是因为GaN表面的电化学反应。从理论和实验上报道了室温下Ga-OH在H2O/GaN界面上的形成。使用微推弹性带（NEB）方法进行了DFT模拟，以研究原始和氧化GaN表面上水离解的反应路径和能量势垒。计算的能垒解释了I-V测量的结果，且X射线光电子能谱（XPS）研究支持了DFT研究的计算，该研究为GaN表面水解离的初始过程提供了详细的原子模型。

图1 GaN基薄膜结构制造流程

3. 结论

        本工作研究了室温下GaN和H2O的相互作用。电学测量表明，当制造的GaN器件暴露于去离子水时，电阻会增加。GaN表面氧化后导致的能垒降低表明GaN表面上的水解离是有利的。此外，XPS测量和DFT计算表明，吸附在极性GaN表面上的水分子会自发解离。然而，被吸附的水分子解离为OH-和H+，形成Ga-OH和N-H键。这一观察结果与H2O与GaN表面相互作用的实验和理论计算非常一致，结果表明GaN薄膜基器件是传感极性液体（即H2O）的有前景的候选者。

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