通过Al预沉积和Ga/N比控制Si(111)上GaN形貌的MBE生长

摘要

通过调节Ga/N比并引入短时Al预沉积，我们在等离子体辅助分子束外延（PA-MBE）中实现了对Si(111)上GaN生长模式的精准控制——纳米柱、纳米壁网络和致密薄膜。裸Si上N丰富条件下生成GaN纳米柱，高Ga通量产生致密致密薄膜。值得注意的是，GaN生长前40秒Al预沉积可产生连续的平面内纳米壁网络。原子力显微镜显示Al形成约80 nm液滴（高约6.7 nm）。我们提出生长模型：GaN在裸Si上成核，但在Al液滴上方生长受抑制，形成特征网络。该方法消除了纳米器件制造障碍，展示了在硅上制备高质量GaN纳米结构的可扩展路径。

研究背景

GaN基器件在功率电子和光电子领域应用广泛，但异质外延生长面临晶格失配和热膨胀系数差异挑战。Si(111)基底因低成本、大尺寸和成熟工艺受关注，但GaN在Si上直接生长易产生高密度位错和裂纹。纳米线/纳米壁结构能有效释放应变，改善材料质量。等离子体辅助MBE（PA-MBE）提供原子级精确控制，适合纳米结构外延。先前研究表明Ga/N比、生长温度、衬底取向等影响GaN形貌，但缺乏对形貌转变的精准可控手段。Al预沉积作为一种表面改性策略，可调节表面能和成核行为，但其在GaN形貌控制中的系统性作用尚未充分阐明。

结果与讨论

生长模式的精准控制

实验在Veeco GEN 930 PA-MBE系统中进行。Si(111)衬底经标准清洗后进入生长腔。通过调节Ga通量和N等离子体功率实现不同Ga/N比。Al预沉积步骤：在GaN生长前，以特定通量沉积Al 40秒，随后关闭Al源进行GaN生长。原子力显微镜（AFM）表征表面形貌，透射电镜（TEM）分析微观结构，X射线衍射（XRD）确定晶相和取向。

N丰富条件下的纳米柱生长：裸Si(111)上，高N/Ga比（N丰富）下，GaN以纳米柱形式生长，直径约50-100 nm，高度数百纳米，密度可控。纳米柱顶端呈六方锥形，侧面为半极性面，具有良好的光学性质。

Ga丰富条件下的致密薄膜：增加Ga通量（Ga丰富条件），GaN倾向于二维层状生长，形成致密、平整的连续薄膜，表面粗糙度低，但因晶格失配积累较大应变，易产生位错和裂纹。

Al预沉积诱导的纳米壁网络：引入40秒Al预沉积后，AFM显示表面形成约80 nm直径、6.7 nm高度的Al液滴阵列。后续GaN生长中，GaN在裸露Si区域优先成核生长，而在Al液滴覆盖区生长受抑制。Al液滴间区域GaN横向扩展相互连接，最终形成连续的平面内纳米壁网络结构。纳米壁宽度约20-30 nm，高度数百纳米，网络周期性由Al液滴间距决定。

生长机制模型

基于实验现象提出生长模型：Al预沉积形成液滴阵列，液滴表面能较低，Ga前驱体在其上扩散受阻或去吸附，导致液滴上方GaN成核受抑制。裸露Si区域作为优选成核位点，GaN垂直生长并横向扩展，在液滴间形成连通的纳米壁。该机制类似“选择性区域生长”，但无需光刻掩膜，工艺更简洁。Al液滴尺寸、密度可通过预沉积时间、通量、衬底温度调控，进而调节纳米壁网络周期和尺寸。

器件应用前景

该纳米壁网络结构兼具纳米线的应变释放优势和平面薄膜的连续导电路径，有利于器件制造：纳米壁网络可直接作为器件有源层，避免了纳米线阵列需填充介质、平面化等复杂工序。在Si基底上实现高质量GaN纳米结构，为异质集成光电子器件、功率器件提供新平台。该方法可扩展至大尺寸衬底，兼容标准半导体工艺流程。

结论

通过调节Ga/N比和引入Al预沉积，在PA-MBE中实现了Si(111)上GaN纳米柱、纳米壁网络和致密薄膜的精准形貌控制。Al预沉积形成液滴阵列模板，引导GaN生长形成连续纳米壁网络，消除纳米器件制造障碍，为硅基GaN纳米光电子器件提供可扩展制备路径。