氮化镓（GaN）的晶体结构与性质

1. GaN的晶体结构

到目前为止我们已知的GaN有三种晶体结构，它们分别为纤锌矿（Wurtzite）、闪锌矿（Zincblende）和岩盐矿（Rocksalt）。通常的情况下纤锌矿是最稳定的结构。目前学术上在薄膜的外延生长中主要以蓝宝石、Si、砷化镓、氧化镁等的立方相结构作为衬底，以（011）面为基面有可能得到比较稳定的闪锌矿结构的氮化镓纳米材料。但是闪锌矿结构的GaN通常在高温的条件下会转变成更加稳定的纤锌矿结构的GaN。而岩盐相是GaN的高压相结构（压力一般大于37GPa）通常情况下是不容易存在的。

如图1为GaN的纤锌矿结构图，纤锌矿结构GaN所对应的空间群结构是P63mc（C46V）。这种结构的氮化镓是六角晶胞结构，即每个晶胞中含有6个N原子和6个Ga原子，晶格常数有a和c两个。Wurtzite结构氮化镓存在两套密排（HCP）子晶格，分别仅包含Ga原子或仅包含N原子，然后它们沿c轴相互错开5/8c（c为晶格常数）。这种结构在高压的情况下是有可能发生相变从而转变为岩盐矿结构的GaN（如图3所示）的。但是学术界关于相变压力有不同的说法，是存在一定的异议的，但是一般情况下认为相变压力在30-40GPa之间，但是GaN的纳米结构相变压力会大些，一般在60GPa左右，但是这种相变是一种可逆的过程，一旦系统中的压力消失以后，岩盐矿结构的GaN又会重新转变成通常更加稳定的纤锌矿结构。

如图2所示为闪锌矿结构GaN，这种GaN结构具有立方晶胞，每个晶胞中都含有4个Ga原子和四个N原子。立方结构氮化镓所对应的空间群结构为F-43m（T2d）。闪锌矿结构的氮化镓的原子在晶胞中的排布和金刚石结构的原子排布很相似，都是两个相互套穿后沿体对角线错开1/4的面心立方格子，而每个原子则可以看作是处在以其四个最临近原子为顶角组成的四面体的中心位置。同样闪锌矿结构的氮化镓在高温的情况下也是不稳定的是有可能转化成岩盐矿结构的GaN或者纤锌矿结构氮化镓的。

图1 纤锌矿结构的GaN

图2 闪锌矿结构的GaN

图3 岩盐矿结构GaN

Wurtzite结构的GaN与Zincblende结构的GaN在结构上是非常相似的，每个Ga原子周围都是有四个N原子，每个N原子周围又都是有四个Ga原子。这两种结构最主要的区别是在于最密面的堆积方式有所不同。在六方结构中（001）面是沿［001］方向以ABABABAB排列的，而在立方结构中（111）面是沿［111］方向以ABCABC排列的。

2. GaN的基本性质

氮化镓通常情况下为白色或者微黄色的固体粉末，是一种极其稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点大约为1700℃，氮化镓具有很强的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的。通常情况下氮化镓结构是六方纤锌矿结构，它的一个元胞中有四个原子，原子体积约为砷化镓原子体积的一半，因为氮化镓材料的硬度高，其又是一种很好的图层保护材料。氮化镓不溶于水、酸，而在热碱中会缓慢溶解，氢氧化钠、磷酸和硫酸能较快的腐蚀质量比较差的氮化镓，这点可以用来检测氮化镓的晶体缺陷。氮化镓与氯化氢气体或氢气高温共存时呈现不稳定特性，而在氮气气氛下是最稳定的。氮化镓在空气中加热到800℃以上开始氧化，氧化生成氧化镓，而在1050℃以上开始化学键断裂分解。在电学性质方面，氮化镓的电学性质是影响氮化镓电子器件的主要因素。未有意掺杂的氮化镓在任何情况下都是呈n型的，最好样品的电子浓度大约为4×1016/cm3。一般情况下所制备的p型氮化镓都是高补偿型的。很多科研小组都从事过这方面的研究工作，其中中村小组报道了氮化镓材料在室温下和液氮温度下的电子最高移动速率分别是μn=600cm2/v·s和μn=1500cm2/v·s，而相应的载流子浓度分别是n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。近年来报道的金属有机物气相沉积氮化镓层的电子浓度约为4×1016/cm3。未掺杂情况下，载流子浓度可控制在1014~1020/cm3的范围内。另外，通过p型掺杂工艺、镁的低能电子束辐照或者退火处理，已能将氮化镓掺杂浓度控制在1011~1020/cm3的范围内。在光学性质方面，学术上已经发现了氮化镓是具有多种不同的发光机制的，并且得到了在不同波长下的多个发光峰。到目前为止，我们知道的氮化镓材料的发光机制包括以下几种分别是带间跃迁发光、带边跃迁发光、激子复合发光、杂质或缺陷能级跃迁引起的发光等。随着研究的深入，氮化镓材料必将在蓝光和紫光发射器件上的有更深层次的应用。