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金属有机气相外延中氨分解与氮掺入GaN表面的第一性原理研究

DOI：10.1016/j.jcrysgro.2018.11.031 期刊：Journal of Crystal Growth 出版年份：2018 更新时间：2025-09-10 09:29:36
摘要： 基于密度泛函理论（DFT），我们采用金属有机气相外延法（MOVPE）对GaN（0001）的生长机制进行了理论研究。首先确定了富镓GaN（0001）生长表面的结构，随后研究了NHx（x=0-3）在此类表面的吸附行为。研究发现NH2和NH基团会自发介入富镓GaN（0001）表面Ga-Ga弱键中，揭示了氨分子在富镓表面的分解反应路径。反应过程中氮原子嵌入Ga-Ga弱键形成-Ga-(NH)-Ga-结构，其活化能垒低至惊人的0.63电子伏特。我们还探究了NH2分解为氮原子并形成Ga-N网络的过程，发现具有2电子伏特能垒的合理反应路径。综合考虑生长温度下气相H2分子的化学势后，该反应可被克服。这种氨分子分解机制及氮原子在GaN中的掺入过程，是一种由生长表面催化的新生长机制。
作者： Kieu My Bui，Jun-Ichi Iwata，Yoshihiro Kangawa，Kenji Shiraishi，Yasuteru Shigeta，Atsushi Oshiyama
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

利用金属有机气相外延（MOVPE）研究GaN（0001）的生长机制，重点关注NH3的分解及氮在富镓GaN（0001）表面的掺入过程。

研究成果

该研究揭示了利用金属有机气相外延（MOVPE）法生长氮化镓（GaN）的新机制：富镓GaN（0001）表面上的氨分解和氮掺杂过程由生长中的表面催化完成。研究发现这些过程的活化能垒较低，使其在典型生长条件下即可实现。该机制为理解GaN外延生长中的原子尺度过程提供了新见解。

研究不足

该研究为理论性研究，基于密度泛函理论（DFT）计算，可能无法完全反映金属有机气相外延（MOVPE）工艺的所有实验条件和复杂性。研究重点是在氮气载气条件下富镓GaN（0001）表面，其结论可能不直接适用于其他条件或表面。

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