High reactivity of HO vapor on GaN surfaces

GaN表面における水蒸気の高い反応性

角谷 正友*; 隅田 真人*; 津田 泰孝   ; 坂本 徹哉; Sang, L.*; 原田 善之*; 吉越 章隆 

Sumiya, Masatomo*; Sumita, Masato*; Tsuda, Yasutaka; Sakamoto, Tetsuya; Sang, L.*; Harada, Yoshitomo*; Yoshigoe, Akitaka

GaNは、パワーエレクトロニクスデバイスとして注目される材料である。GaNの表面酸化の理解は、金属-酸化膜-半導体(MOS)デバイスを改善するために重要である。本研究では、GaNの結晶面(+c,-c,m-面)毎の酸化特性を、リアルタイムXPSとDFT-MDシミュレーションによって調べた。その結果、HOとGaN表面との間のスピン相互作用によりHO蒸気が最も高い反応性を示すことがわかった。m面では、化学吸着が支配的であった。本研究は、AlGaN原子層成膜時に意図しない酸化を防ぐために、HOおよびO以外の酸化剤ガスを使用する必要があることを示唆している。

GaN is an attracting material for power-electronic devices. Understanding the oxidation at GaN surface is important for improving metal-oxide-semiconductor (MOS) devices. In this study, the oxidation at GaN surfaces depending on the GaN crystal planes (+c, -c, and m-plane) was investigated by real time XPS and DFT-MD simulation. We found that HO vapor has the highest reactivity due to the spin interaction between HO and GaN surfaces. The bond length between the Ga and N on the -c GaN surface was increased by OH attacking the back side of three-fold Ga atom. The chemisorption on the m-plane was dominant. The intense reactions of oxidation and AlGaN formation for p-GaN were observed at the interface of the AlO layer deposited by ALD using HO vapor. This study suggests that an oxidant gas other than HO and O should be used to avoid unintentional oxidation during AlGaN atomi layer deposition.