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1、宋阳10300220116氮化镓晶膜在氧化铝晶面的生长取向CrystalorientationofGaNlayerson33333m-planesapphireⅢA族氮化物，特别是氮化镓晶体，在光电应用领域引起了较大的兴趣，比如可以用作多量子阱LED或激光二极管，发射蓝色或绿色波段的光。这些材料大都使用的是在（0001）晶面上生长的氮化镓晶体。然而在极化晶面上生长的结构会由于量子Stark效应导致辐射效率的降低和辐射波长的红移。通过使晶体沿非极性或半极性晶面生长这种效应可被抑制。以蓝宝石（10-10）晶面为基底即是一种沿半极性晶面生长氮化镓晶体的方法。然而以HVPE(h
2、ydridevapourphaseepitaxy)法或MOVPE(metal-organicvapourphaseepitaxy)法生长出的晶体以（11-22）和（1-10-3）为主要取向，选择哪种取决于生长特别是成核阶段的条件。这里将针对此问题构建晶体模型，并对两种取向的机理加以解释。（补充）四轴坐标/密勒-布拉菲指数六方晶系的晶面和晶向指数表示方法与其他晶系不同。如果取a1,a2和c为晶轴，六个柱面指数为(100),(010),(1-10),(1-00),(01-0),(11-0)，但这种方法确定的晶面指数不能显示出六次对称的特征。因此对六方晶系采用四轴定向法，称为
3、密勒-布拉菲指数。选取四个坐标轴，其中a1,a2,a3在同一水平面上，夹角互为120°,c轴与这个平面垂直，晶面指数用(hkil)表示，其中h+k=-I;用该法求出的六个柱面晶面指数为(101-0),(011-0),(1-100),(1-010),(01-10),(11-00)。样品的HR-XRD结果显示，(11-22)取向方向唯一，且与(0001)面呈58.9°；而(1-10-3)取向有互呈90°的两个方向，分别与(0001)面成约45°和135°，即出现了“孪生”晶面。氮化镓(11-22)面在氧化铝（10-10）面的晶格失配氮化镓(1-100)晶向与氧化铝(1-21
4、0)晶向的失配率为：垂直方向上，氧化铝(0001)晶向的周期长度约为氮化镓(-1-123)晶向的两倍。(11-2L)代表的所有半极性晶面失配率可表示为：图为半个氧化铝晶胞和其上两个氮化镓不完整晶胞其中，dc’表示如下，与L大小有关：此图表展示了氮化镓(11-2L)晶面在氧化铝(10-10)晶面上的失配率与L的关系。可以发现，在L=2时晶格失配率达到最低，为-6.3%，即在计算上解释了晶体生长时对(11-22)晶向的偏好。氮化镓(1-10-3)面在氧化铝（10-10）面的晶格失配图为半个氧化铝晶胞和其上三个氮化镓不完整晶胞氮化镓(-1-120)晶向与氧化铝(0001)晶向
5、的失配率为：垂直方向上，氧化铝(1-210)晶向的周期长度约为氮化镓(-330-2)晶向的四分之三倍。(1-10L)代表的所有半极性晶面失配率可表示为：其中，dc’表示如下，与L大小有关：此图表展示了氮化镓(1-10L)晶面在氧化铝(1-210)晶面上的失配率与L的关系。可以发现，在L=3时晶格失配率达到最低，为2.7%，即在计算上解释了晶体生长时对(1-10-3)晶向的偏好。半极化晶面生长模型氧化铝基底的结构氧呈六方密堆积，铝填于2/3的八面体空隙中。a)图为其(10-10)晶面的投影，氧排列呈zigzag状；b)图为其(1-210)晶面的投影，可发现由于一层铝的缺失
6、，其沿(0001)方向呈现以(O-Al-O-Al-O)为周期的排列。a)氮沉积b)镓沉积c)第二层生长(11-22)氮化镓生长在(11-22)晶面生长过程中，先是氮负离子沿着氧化铝(0001)方向任意排布，且只排布在基底中铝离子出现的位置；接下来镓离子沉积时会选择排布于两个氮之间，这样就与铝在晶格界面的位置相对应。(1-10-3)氮化镓生长a)氮沉积b)镓沉积c)第二层生长而在(1-10-3)晶面生长过程中，氮负离子占据的是基底氧zigzag排布之间的位置，沿(0001)方向形成直线。而镓则会占据两种位置：A种镓排布于两个氮之间并与其沿(0001)方向共同构成zigza
7、g排布；B种镓只连接在一个氮原子上，并沿(1-210)方向成键。A种和B种交替排布（如c图）。在氮沉积的过程中，氮负离子会占据氧化铝(10-10)面氧形成的zigzag“峡谷”中的位置。由于氮和氧的化合价的差异，氮只能占据氧排布的2/3的位置。因此，氮负离子最初在界面两种不同的排布导致了(11-22)及(1-10-3)两种取向。(1-10-3)晶面的取向则取决于最初镓离子是先吸附在氮阵列的上方还是下方，两种情况都可能，于是出现了孪生晶面的情况。参考文献M.Frentrup,S.Ploch,M.Pristovsek,M.Kneissl,Ph
