Al组分对NH2 覆盖Alx Ga1-x N(0001)表面掺杂前驱体吸附结构的影响机制研究

为解决高Al组分AlGaN的p型掺杂难题及优化MOCVD（金属有机化学气相沉积）生长工艺，研究人员通过第一性原理计算系统分析了Mg/Si掺杂前驱体在NH2 覆盖Alx Ga1-x N(0001)表面的吸附行为。研究发现Ga富集表面与H3位点更利于吸附，高/低Al组分均抑制掺杂效率，为III族氮化物半导体器件掺杂工艺提供了理论指导。

　　

III族氮化物半导体如AlGaN因其优异的物理化学性质，在深紫外光电器件领域具有重要应用价值。然而，这类材料的p型掺杂效率低下始终是制约器件性能的瓶颈问题，尤其当Al组分升高时，Mg受主能级深度加剧，导致空穴激活困难。金属有机化学气相沉积（MOCVD）作为主流外延生长技术，其表面反应机制尚不明确，且传统研究多聚焦二元化合物（如GaN或AlN），对组分可调的Al_x
Ga_1-x
N三元合金缺乏系统认知。

针对这一挑战，国内研究人员采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理赝势平面波方法，首次揭示了Al组分对NH₂
覆盖Al_x
Ga_1-x
N(0001)表面掺杂前驱体（Mg/Si原子）吸附行为的影响规律。研究通过CASTEP软件包计算表面吸附能、分波态密度（PDOS）和Mulliken布居，构建了掺杂原子与基底间的键合机制模型。

主要技术方法
研究采用周期性边界条件下的平面波基组展开计算，使用OTFG超软赝势处理价电子（Al 3s²
3p¹
、Ga 3d¹⁰
4s²
4p¹
等），优化了NH₂
覆盖表面模型，通过过渡态搜索分析扩散路径。

吸附与扩散机制
Mg原子在NH₂
覆盖表面仅存在T4和H3两种吸附位点，键合机制表现为Mg(sp)-N(p)轨道杂化。随着Al组分增加，键能减弱，Ga富集表面（低Al组分）的H3位点吸附能最低（-3.42 eV），最利于Mg稳定吸附。态密度分析显示N-2p轨道与Mg-3s轨道在费米能级附近存在强杂化。

掺杂类型偏好性
Si原子吸附能普遍低于Mg原子，表明NH₂
覆盖表面对n型掺杂（Si）更有利。当Al组分超过0.5时，Mg吸附能显著升高，解释高Al组分AlGaN中p型掺杂效率骤降的实验现象。

结论与意义
该研究首次阐明Al组分通过调控表面电子结构影响掺杂前驱体吸附稳定性：Ga富集表面促进Mg吸附，而高Al组分导致键合弱化。这一发现为MOCVD生长中Al组分梯度设计提供了理论依据，指出通过控制表面Ga含量可优化p型掺杂效率。研究结果发表于《Surface Science》，对开发高性能深紫外LED和功率器件具有重要指导价值。