Real-time observation of oxidation process on GaN surfaces by X-ray photoelectron spectroscopy

X線光電子分光によるGaN表面の酸化プロセスのリアルタイム観察

Sumiya, Masatomo*; Tsuda, Yasutaka; Sumita, Masato*; Yoshigoe, Akitaka

高品質な金属-酸化膜-半導体(MOS)構造をGaNで実現するために、酸化過程を明らかにすることを目的として放射光X線光電子分光(XPS)を用いて、H $_{2}$ O, O $_{2}$ , N $_{2}$ O, NOの各種酸化ガス暴露下でのGaN極性表面、m表面の酸化状態を調べた。熱力学的にはH $_{2}$ Oは酸化力が小さいにもかかわらず反応性が高いことが分かった。N $_{2}$ OとNOは酸化力は高いが、酸素の吸着はほとんど起こらなかった。+c面では、O $_{2}$ とH $_{2}$ Oの場合、2つの酸化状態が存在する。初期酸化ではO $_{2}$ 分子の物理吸着が支配的である。H $_{2}$ O分子では、解離と分子状吸着が共存する。GaNのm面では化学吸着が支配的であり、安定なGa-O結合が形成される。これらの状態は、表面上の電子スピンとGaNの極性の両方を考慮した密度汎関数分子動力学計算によるシミュレーションで良く説明できた。

Synchrotron radiation X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was employed to clarify the oxidized states on the polar and m-plane GaN surfaces under exposure of various oxidation gases of H $_{2}$ O, O $_{2}$ , N $_{2}$ O, and NO. It was found that H $_{2}$ O vapor has the higher reactivity. The oxygen was hardly adsorbed on the surface by irradiating N $_{2}$ O and NO gases. Apparently, two oxidation states for O $_{2}$ and H $_{2}$ O irradiation were detected on +c GaN surface. Physisorption of O $_{2}$ molecule was dominate. The dissociation and adsorption of H $_{2}$ O molecules co-existed on the +c surface. The chemisorption on the m-plane of GaN was dominant, and a stable Ga-O bond was formed on the surface. These chemical oxygen states were simulated by density functional molecular dynamics calculation using a theoretical model including both electronic spins on the surfaces and the polarity of GaN.

発表言語	:	English
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発表会議名	:	14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS14)
開催年月	:	2023/11
開催都市	:	Fukuoka
開催国	:	Japan
キーワード	:	GaN; パワーデバイス; MoS Transistors; 表面酸化; 放射光光電子分光; 化学状態; リアルタイム観察; 吸着メカニズム; 表面反応

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使用施設	:	SPring-8(大型放射光施設)
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登録番号 : BB20230561
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