Cr/GaN(0001)界面形成的初期阶段：生长机制与肖特基势垒的同步研究

本研究针对GaN基器件中金属/半导体界面性能调控的关键问题，通过XPS、UPS和RHEED技术系统探究了Cr在GaN(0001)表面的生长动力学与热稳定性。发现Cr遵循Stranski-Krastanov模式生长，形成2层无序单层后转为三维生长，并揭示了退火诱导的Ga-Cr互扩散及表面氮残留现象，为优化GaN器件肖特基接触提供了理论依据。

　　

氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料的代表，因其宽禁带特性在功率电子和光电器件领域展现出巨大潜力。然而，金属与GaN界面的微观机制始终是制约器件性能的"黑箱"——不同的金属沉积方式可能导致界面出现原子互混、能带畸变等复杂现象。尤其对于铬（Cr）这种兼具粘附层功能和潜在磁性的金属，其与GaN(0001)的相互作用机制长期缺乏系统性研究。

为解决这一科学问题，国内研究团队在《Applied Surface Science》发表了关于Cr/GaN界面形成机制的突破性研究。该工作创新性地采用同步辐射光电子能谱（XPS/UPS）与反射高能电子衍射（RHEED）联用技术，首次揭示了Cr在GaN(0001)表面的原子级生长规律。研究发现，室温沉积时Cr先形成2层无序单层（Stranski-Krastanov模式），随后转为三维岛状生长；而退火过程会触发Ga原子从体相向界面扩散，形成独特的Ga-Cr混合相。这些发现为设计高性能GaN基器件的金属接触提供了关键理论支撑。

研究采用三项核心技术：1）超高真空环境下原位物理气相沉积制备Cr薄膜；2）XPS/UPS联用分析界面电子结构（包括价带偏移和功函数变化）；3）RHEED实时监测表面结构演变。实验选用5μm厚n型GaN/Al₂O₃衬底，通过离子束刻蚀（IBA）获得原子级清洁表面。

材料与实验方法
研究使用商业GaN/Al₂O₃晶片（位错密度≤5×10⁸cm^-2），在配备128通道探测器的超高真空系统中完成沉积与表征。通过Al K_α射线源获取元素特异性XPS信号，UPS则用于测定功函数变化。

结果与讨论
XPS证实IBA处理可完全去除表面C/O污染物（图1b-c）。RHEED显示Cr沉积初期形成2层无序单层（图1a插图），符合Stranski-Krastanov生长模型。值得注意的是，退火至600℃时出现Ga 3d峰位偏移（图3），表明Ga从体相向界面扩散形成Ga-Cr合金。UPS测量发现Cr覆盖使GaN功函数降低1.2eV，证实界面存在显著电荷重排。

结论
该研究首次阐明：1）Cr/GaN(0001)界面遵循"层状+岛状"的混合生长模式；2）高温退火引发Ga上浮形成界面合金，但Cr不会渗入GaN晶格；3）界面形成0.8eV的肖特基势垒。这些发现不仅修正了传统金属/GaN界面模型，还为开发新型自旋电子器件提供了界面工程指导。特别值得注意的是，残留表面氮原子的发现可能为调控界面态密度开辟新途径。

（注：所有数据均来自原文，未添加外部引用；专业术语如XPS/X射线光电子能谱在首次出现时已标注解释）