（材料学专业论文）微区应力和应变的电子背散射衍射分析.pdf

摘要 摘要 本论文采用高分辨热场发射扫描电镜( t f e s e m ) ，配置电子背散射衍射 仪( e b s d ) 和x 射线能谱仪( e d s ) 一体化分析系统，测试了半导体外延材 料中的应力分布，以及应变的多晶材料的微观结构变化。 在单晶异质外延材料中，采用e b s d 的菊池花样质量( i q ) 和h o u g h 变换、 晶格转动量、晶格错配等测量参数，作为应力敏感参数，表征g a n 蓝宝石、 g a a s a 1 g a a s 、g a a s a 1 g a l n p 外延系统中的晶格错配应力，以及g a a s g a n 键 合晶片的界面热应力。 g a n b u f f e r 蓝宝石系统中，以i q 、c i ( c o n f i d e n c ei n d e x ) 和f i t 图，显示出应 力缓冲层( b u f f e r 层) 附近5 0 0n l n 的弹性应变场，测算出b u f f e r 层中的位错 密度8 1 0 1 1 m 2 。由菊池花样的快速傅立叶变换( f f t ) 和m a t l a b 计算得到， b u f f e r 层应变晶体的衍射强度下降了6 4 5 。扫描近场声成像( s n a m ) 和扫 描热成像( s t h m ) 的结果显示，失配度较大的b u f f e r 层为应力集中和热导率 较低的区域。 g a a s a i g a n p 系统的g a a sb u f f e r 层重掺杂s i 后，使晶体质量降低了4 ， 相应光电子器件的发光率降低了3 4 倍。 g a a s a i g a a s 系统中的前7 个外延周期( 约5 6 0n m ) 的i q 值明显降低， 花样衍射强度下降了7 9 ，表明晶格错配应力集中在前7 个周期。 g a a s g a n 键合系统的匹配晶向 g 。a ：s g a n 的界面质量良好。由 i q 图、晶格转动和f f t 表明，热应力和位错密度：界面中心区域小于边缘区域； 应力影响范围：g a n 层小于g a a s 层。有限元模拟的热应力云图与i q 图的应力 分布相符合。模拟结果显示，剥离应力( o r v ) 和剪应力( o r x v ) 主要分布在边缘 区域，正应力( 6 x ) 主要分布在中心区域。最大a x 、6 v 和6 x v 分别为4 3 1 0 一m p a 、 6 4 x 1 0 7 m p a 和2 0 1 0 7 m p a ，其中a 、，是导致解键合的主要原因。 在多晶n i w 基带中，准原位研究了拉伸应变晶体在晶粒尺度上发生的变 化，包括晶粒尺寸、转动、取向、形状及晶界特征。 n i w 样品的应变量1 2 时，其微结构无明显变化。s = 1 2 5 4 时， 随增加，晶粒取向无明显变化，晶格转动达6 0 ，位错密度增加了4 倍。小角 北京工业大学t 学硕j j 学位论文 度晶界增加了4 倍，孪晶界减小了8 0 ，3 0 0 一5 7 0 的晶界增加5 倍。i q 值减小 了4 5 ，c i 值减小了5 1 ，f i t 增加了8 3 。花样强度减小了5 4 。 单一晶粒的形状因子和t a y l o r 因子的统计结果表明，当g 0 9 时，晶粒的 长、短轴变化了2 5 4 5 ，t a y l o r 因子随增大而降低，一些晶粒内的t a y l o r 因子显示出差异，表明晶粒己产生变形、滑移和转动。t a y l o r 因子的最小值出 现在与拉伸方向夹角2 6 6 0 ，与 1 l1 ) 滑移系夹角5 5 9 0 的( oo1 ) 211 0 取向( 允差5 0 ) 的晶粒中。 e d a x e b s d 系统测试单晶和多晶的空间分辨率和角分辨率分别可达到： 3 0 4 0n l i l 和o 3 0 ，以及1 岬和1 0 。e b s d 菊池花样的标定参数i q 、c i 、 f i t ，以及晶格转动、错配、t a y l o r 因子等测试参数可做为应力敏感参数，评价 微区( 几十n m l b t m ) 和较小错配度( o 1 4 ) 材料中的应力和应变。 关键词e b s d ；应力和应变；半导体外延层；n i w 合金 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ei n t e g r a t e da n a l y t i c a ls y s t e mo fe l e c t r o nb a c k s c a t t e rd i f f r a c t i o n ( e b s d ) a n dx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) e q u i p p e di nah i g hr e s o l u t i o nt h e r m a lf i e l d e m i s s i o ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t f e s e m ) w a su s e dt om e a s u r et h es t r e s s d i s t r i b u t i o no fs e m i c o n d u c t o re p i t a x i a lm a t e r i a l sa n dt h em i c r o s t r u c t u r ef e a t u r e so f s t r a i n e dp o l y c r y s t a l l i n em a t e r i a l s i nt h eh e t e r o g e n e o u se p i t a x i a lo fs i n g l ec r y s t a lm a t e r i a l s ，i m a g eq u a l i t y ( i q ) a n d h o u g ht r a n s f o r mo fk i k u c h ip a t t e r n s ，t h em e a s u r e m e n tp a r a m e t e r so fc r y s t a lr o t a t i o n ， c r y s t a ll a t t i c em i s m a t c ha ss t r e s ss e n s i t i v ep a r a m e t e r st o c h a r a c t e r i z et h ec r y s t a l m i s m a t c hs t r e s si nt h ee p i t a x i a ls y s t e mo f g a n s a p p h i r e 、g a a s a 1 g a a sa n d g a a s a 1 g a l n p , a sw e l la si n t e r f a c et h e r m a ls t r e s so fg a a s g a nb o n d i n gw a f e r i ng a n b u f f e r s a p p h i r es y s t e m ，t h ei q ，c i ( c o n f i d e n c ei n d e x ) a n df i tm a pw e r e u s e dt o d i s p l a ya ne l a s t i cs t r e s s f i e l do f - 5 0 0n l t lc r o s st h eb u f f e rl a y e r t h e c a l c u l a t e dd i s l o c a t i o nd e n s i t yw a s8 x10 1 1 m e t h ed i f f r a c t i o ni n t e n s i t i e so fs t r e s s e d c r y s t a l si nt h eb u f f e rl a y e rw e r ed e c r e a s e db y6 4 5 b yu s i n gt h ef a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ( f f t ) o fk i k u c h ip a t t e m sa n dm a t l a bc a l c u l a t i o n t h er e s u l t so fs c a n n i n g n e a rf i e l da c o u s t i cm i c r o s c o p y ( s n a m ) a n ds c a n n i n gt h e r m a lm i c r o s c o p y ( s t h m ) s h o wt h a tt h er e g i o n so ft h el a r g e rs t r e s s a n dt h el o w e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t yw e r e c o n c e n t r a t e di nt h eb u f f e rl a y e r sh a v i n gl a r g e rm i s m a t c h i ng a a s a 1 g a l n ps y s t e m ，a c t i v er e g i o no fh e a v i l yd o p e ds io fg a a sb u f f e r l a y e rr e s u l t e di n t h ed e c r e a s eb y4 i nc r y s t a lq u a l i t ya n db y3 4t i m e si n c o r r e s p o n d i n gl u m i n e s c e n tr a t e so fp h o t o e l e c t r o nd e v i c e i nt h ef i r s t7e p i t a x i a lp e r i o d s ( 5 6 0n l - n ) o fg a a s a 1 g a a ss y s t e m ，i qv a l u e s d e c r e a s e do b v i o u s l ya n dd i f f r a c t i o ni n t e n s i t i e so fk i k u c h ip a t t e r n sd e c r e a s e db y7 9 ， i n d i c a t e dt h a tl a t t i c em i s m a t c hs t r e s s e sc o n c e n t r a t ei nt h ef i r s t7e p i t a x i a lp e r i o d s i ng a a s - g a nw a f e rb o n d i n gs y s t e m ，t h ei n t e r f a c eo f g a a s g a n m a t c h e dd i r e c t i o ns h o w sg o o d q u a l i t y i qm a p ，l a t t i c er o t a t i o na n df f ti n d i c a t et h a t t h e r m a ls t r e s sa n dd i s l o c a t i o ni n t e n s i t yo fb o n d i n gi n t e r f a c ei nc e n t e r - r e g i o na r e s m a l l e rt h a nt h a ti ne d g e r e g i o n ；a n ds t r e s si n f l u e n c er e g i o no fg a nl a y e ri ss m a l l e r - i i i 北京t 业大学工学硕十学位论文 t h a nt h a ti ng a a sl a y e r t h es i m u l a t e dt h e r m a ls t r e s sc l o u dm a p sb yt h ef i n i t e e l e m e n tw e r es i m i l a rt ot h es t r e s sd i s t r i b u t i o nb yi qm a p s t h es i m u l a t e dr e s u l t s s h o wt h a tp e e l i n gs t r e s s ( o y ) a n ds h e a rs t r e s s ( o x y ) m a i n l yd i s l o c a t e di nt h ee d g e r e g i o n ，w h e r e a sn o r m a ls t r e s s ( o x ) i nt h ec e n t e rr e g i o n t h em a x i m a ls t r e s sv a l u e sa x ， a ya n d 呱yw e r e4 3 1 0 7m p a 、6 4 1 0 7m p a a n d2 0 1 0 7m p a ，i nw h i c ht h e o yw a s t h em a i nr e a s o nf o rd e b o n d i n g i np o l y c r y s t a l l i n en i wb a s e b a n d ，t h ec h a n g e si nt h eg r a i n - s c a l eo fs t r a i n e d c r y s t a lw e r es t u d i e dp s e u d o i n s i t u ，i n c l u d i n gg r a i ns i z ea n do r i e n t a t i o n , l a t t i c e o r i e n t a t i o n ，g r a i ns h a p ea n db o u n d a r yc h a r a c t e r w h e ns t r a i n 1 2 ， c h a n g e si nm i c r o s t r u c t u r e so fn i - ws a m p l ew e r en o t o b v i o u s l y w h e ns - - 1 2 5 4 ，w i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i n ，g r a i no r i e n t a t i o nd i d n o tc h a n g eo b v i o u s l y , c r y s t a lr o t a t e du pt o 6 。，d i s l o c a t i o ni n t e n s i t yi n c r e a s e db y4 t i m e s s m a l lg r a i nb o u n d a r yi n c r e a s e db y4t i m e s ，t w i nb o u n d a r yd e c r e a s e db y8 0 ， 3 0 。5 7 。g r a i nb o u n d a r yi n c r e a s e db y5t i m e s i qa n dc iv a l u e sd e c r e a s e db y4 5 a n d51 ，a n df i tv a l u e si n c r e a s e db y8 3 t h ei n t e n s i t yo fk i k u c h i p a t t e r n s d e c r e a s e db y5 4 s t a t i s t i c a lr e s u l t so fs h a p ef a c t o ra n d t a y l o rf a c t o ro ft h ei n d i v i d u a lg r a i ns h o w t h a t ，a s o 9 ，t h el o g n i t u d i n a la n dt r a n s v e r s ea x i s e so fag r a i nc h a n g e di n2 5 4 5 ，t a y l o rf a c t o rd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f a n ds h o w e dd i f f e r e n tv a l u e si n o n e g r a i n ，i n d i c a t i n gt h ed e f o r m ，s l i pa n dr o t a t i o no ft h eg r a i n s t h em i n i m u mv a l u e s o ft a y l o rf a c t o ra p p e a r e di n ( o01 ) 21 10 一o r i e n t e dg r a i n s ( a l l o w a b l ee r r o r 5 0 ) ， w h i c hw a sa ta na n g l eo f2 6 6 。t ot e n s i l ed i r e c t i o na n d5 5 9 。t o s l i ps y s t e m ( 1 1 1 ) s p a c er e s o l u t i o na n da n g l er e s o l u t i o no fe d a x e b s ds y s t e mw e r e ：30 4 0 n ma n d0 3 。f o r s i n g l ec r y s t a l ，a n d l 岫a n d 1 。f o rp o l y c r y s t a l l i n e m e a s u r e m e n t s t h ei n d e x i n gp a r a m e t e r so fi q ，c ia n df i to fe b s dk i k u c h ip a t t e r n a n dm e a s u r i n gp a r a m e t e r so fc r y s t a lr o t a t i o n ，l a t t i c em i s m a t c h ，t a y l o rf a c t o r , e t c ， c o u l db eu s e da ss t r e s ss e n s i t i v ep a r a m e t e r st oe v a l u a t et h es t r e s sa n ds t r a i nw i t h m i c r o - s c a l e ( t e n so fn a n o m e t e r l 岬) i ns m a l lm i s m a t c h ( 0 1 4 ) m a t e r i a l s i v a b s t r a c t k e y w o r d s ：e l e c t r o nb a c k s c a t t e rd i f f r a c t i o n ( e b s d ) ；s t r e s sa n ds t r a i n ；e p i t a x i a ll a y e r ； n i wa l l o y v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：! 旦杰室日期：q 宝生查目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：望毒：羔 导师签名：二幺羔 日期： 、 乙矽。芬一j 6 一；( ) 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 电子背散射衍射( e b s d ) 技术概述 1 1 1e b s d 测试原理及发展概况 电子背散射衍射( e l e c t r o nb a c k s c a t t e rd i f f r a c t i o n ，e b s d ) 技术最原始的功 能是确定晶体材料某一微区的取向，称为单个晶粒取向测定技术，是2 0 世纪 8 0 年代发展起来，进行材料的微织构、相鉴定和微区应力的分析【l 】。 当入射高能电子进入晶体的时候，由于非弹性散射，使电子束在入射点附近 发散，成为一点源。在表层几十纳米范围内，非弹性散射引起能量损失一般只有 几十e v ，这与几万伏电子能量相比是一个很小的量。因此，电子的波长可以认为 基本不变。在电子束入射点处电子向各个方向散射，满足b r a g g 关系( 如公式 1 1 ) 的一组晶面中产生的衍射电子的轨迹形成一对对顶衍射圆锥，圆锥的顶角 为( 1 8 0 0 - 0 ) ，如图1 - 1 所示【引。 图1 - 1e b s d 中菊池带的产生示意图 f i g u r e1 1s k e t c hm a p f o rf o r m i n gk i k u c h il i n e si ne b s d 在e b s d 实验条件下，加速电压h 、厂_ 2 0 3 0 k v ，由b r a g g 公式( 公式( 1 1 ) ) 得n o 角约为0 5 0 。 2 d s i n 0 = l ( 1 1 ) 由于衍射圆锥项角接近于1 8 0 度，圆锥可以近似看作平面。当e b s d 相机 的荧光屏处于与两对角圆锥交截的位置上时，会得到一对近乎平行的曲线。1 9 2 8 年菊池( k i k u c h i ) 首先对金属薄膜的电子衍衬和析出相的电子衍射中出现的线 “、j i _ # l ”。t z 状佗叩萄池f k i k u c h ij 化”，从“甜几何l 作解释： 州舶池线7 农，讯体 r f - f i l l ，线别蹭驭比干【铺i 1j 距，垧池线立义处代表个，。品学方向，线 时叫距为2 0 。线时交义i l - 与t n 带轴对应，i t 婪一吊带轴逋i 儿个线刘的交义点标 定，因此，萄池花样包含了入射所在 。i 粒的包括坐标干n 瞅拉角等j 、剂分品体 学信息，以及 腓中所何自7 矩度天系，区域的和晶面问角一l 蛊此也包含丁晶体 的对称陛1 ，见目i 一2 。 斓 引卜2t a 的菊池衍孵花样剌时、i 的标定_ _ i _ ；的r e 样 f i g u r ei - 2k i k u c h ip a t t e r no f t aa n dc o r r e s p o n i l i n gk i k u c h ip a u e mi n d e x e d e b s d 发腱过程人敛经历了1 l 个阶段- 2 0l u z d7 0 年代，e n a b l e s 刺h a f l a n d 等用3 0c m 直径的荧光肼和闭路屯视， 第 次在s e m 中得到了菊池衍射花样。c o a t e s 发表的伪辅池线论文也引起人 们的芙注口1 2 0 世纪8 0 9 0 年代，d i n g l e y 和 1 j e l e n 等人在英国和挪戚丌发出用计算机 标定取向的e b s d 设备。d i n g l e y 指出e b s d - 岛的空间分辨率用l 尚角发的花样址 录范围利川鉴定低剥称眭的晶体结构吼1 9 8 4 年推出第一台商1je b s d 系统。 2 0 世纪9 0 年代初，已实现了菊池带的全自动枷、定万法包括美同y a l e 大 学、把l 司c l a u s t h a l 大学，及丹麦的r i s 国家实验室的研究。所有的研究d n n i 采川了h o u g h 转变柬确定墒池带的位置。此后，a d a m s 发展t g z l j l 成像显微 圈( o r i e n t a t i o ni m a g i n gm i c r o s c o p y ，o i m ) 技术。 9 0 年代厉甥，能谱分析与e b s d 分析的有效结台集成化川，使相搽定更加 柯效准确。2 0 0 2 fw r l g h t 等报道了能将能浩与e b s d 系统成功集成的工作，这 潮t弋_眵譬如墨 # i * t 大大促进了e b s d 系统相糕定的能儿 此外，厘位分折技术，包括原值加热和加力、聚熊离了束( f i b ) 原仉沉私! 、 刻蚀和反应2 0 0 6 年c a r lz e i s s 公- d 和e d a x t s l 合作将f i b 链件和 o i m 一3 d 软件燕成实现r j 维取柚成缘分析，将体帆学。o 晶体取向分析结合， 健进埘品体材料的表征。近年来，数宁相机被j 泛应用到e b s d 系统l l c ， e b s d 的士要功能： ( 1 ) 晶体学取向测景 e b s d 微织构分析技术足在k o s s e l 花样和电子通道花样( e 卯) 的坫础上发 展出来的- - t el t , 新型而实用的微织构分析技术。 j 丁e b s d 探测器u ，接收多个带 池线刘，冈此叫用二菊池极法测定品体取向。多套三菊池线对厅榭校i | 。后，可更 准确地标定分祈点的晶体学取i q t 9 i 。菊池板法首先需蜜制备张包含所有理 论参与衍刑的品而指数和岍婀衍射面夹角信息表。如血，d 立方a 1 的表格中包含 1 1 1 、 2 0 0 ) 、 2 2 0 和( 3 1 1 ) 品m 族，及所有阿阿组合夹角。将接收到的菊池 带夹角与信息衷中的数据对照，对所有可能的选择投票，井采纳获得最高票数 的标定方案。卜同品两产生的菊池带构成幅电子背散射衍射醋( e l e c t r o n b a c k + s c a t t e r i n g p a t t e r n s e b s p j 。 e b s d 绘制极图( p f ) 、反极图( i p f ) 和取向分布函数( o d f ) 的方法同 x 射线衍射( x r d ) 方法。极图p f 代表了衍射晶面信息，p f 的测最方法参考 阿卜3 。某一般向品粒的选定品而f h k i ，在包含样品坐抽、系的极射办面投影分 布吲称为 h u ) 极图，i p f 代表了样品相对于晶体参考取向所处的位置取向。 图1 - 4 的左图表示一个柑、fj 所仃刈称性位置点的极蚓，存全撒吲中要有2 4 个点 卅规，向利用个中位二角形来表示需要显示一个点，如右图所不。 ，。 。 ， 一? 一 p 。d 图卜3 收图绘制方法不愿幽 f i g u r e l3s c h e m a t i ci l l u s t r a t l o no f d r a w i n gap f 北京t 业大学工学硕十学位论文 图1 _ 4 i p f 示意图 f i g u r e1 - 4s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fl p f 0 0 采用空间取向g ( q ) l ，( p 2 ) 的分布函数f ( g ) 贝j j 可以表达整个空间的取向分布， 这称为取向分布函数( o d f ) ，为定量评价织构的方法。一个多晶体的完整取向 须用三个球面角或者欧拉角来表示。若把一具有初始取向的晶体坐标系做某种 转动，即分别让 0 0 1 ， 1 0 0 和 0 1 0 转动( p l ( o ( p l 2 r e ) ，( o 卸2 冗) 和平2 ( 0 - - ( p 2 2 兀) ，使它与一晶体内一晶粒的晶体坐标系重合，转动晶体坐标系就具 有了与之重合的晶体坐标系的取向。常常用具有初始取向的坐标系转到与一实 际晶体坐标系重合时所转动的角度即欧拉角来表达该实际晶体的取向。o d f 作 图方法是：垂直于取向空间的某一欧拉角坐标轴的方向从取向空间中截取若干 个等间距的取向面( 一般从o o 开始间隔5 0 ) ，然后在各个取向面上给出取向密 度的等密度线即o d f 图，见图1 5 所示【1 0 】。 色蚶i 唆。r吃。l 伊如t i y 渤。两 喝 囝 即拶i 即拶 ，- 3 矿 吃- 3 r i 嗡 吣国秭 吩4 0 妒!色；4 y 吱= q 0 9吐= 可 囝 铲一藤霹酬 一 痧； 吐= 7 旷i吐= 7 r 痧 痧 l 吃4 8 旷；晚8 鼬+ 吐。9 矿! ，一一 固两固一i ! e i 篓1 0 翟| 0 4 。 i # 7 五 o ( b ) 【d 3 - 5 g a n 监宝右截面样的e b s d 扫描区域的i o 图( a ) ，i q h 中a b c 区域菊池花柑 = | ； 时十监窜石钉底的“格转动量( b ) f i g l l r e3 - 5i qm a pf o rt h ec r o s s s c c t i o no f ( j a n s a p p h i r es a m p l ei ne b s ds c a n n i n gm 目o nc h c s m a i l l o c a l l a t t i c er o t a t i o n so f a b cr e g i o n sc o r r e s p o n d i n g t os a p p h i r es u b s t r a t e 帕1 e b s d 技术测试得到蕊宝石干n g a n 之的铸配珀为3 0 。，如俐3 7 。g a n i 桩土 石存在3 0 。惜配角生长会使得结构的j 变能最小，计算外延牛& 的g a n 层和蓝宝 石衬底之i 的错目d 度为( 3 0 3 l8 6 - 04 7 5 8 ) o4 7 5 8 = 1 6 ，这样就会造成闻品 格错配而产生的应力。 臻 0 d 日口50 口b0 c o n e b 口口n q 圈3 7e b s d 测试得到的g a n 和蓝宅的错配度 f i g u r e3 - 7m i s o n e n t a t i o nb e t w e e ng a na n ds a p p h i r cm e 拈u m db ye b s d g a n 蓝宝石样品在b u f f e r 层位置的i o 圈，如图38 所不。分别l 睨蓝宝石 生b u f f e r 位置各区域的a 、b 和c ，比较他们的f f t 处理和计算结果，见剀3 5 。 由a c 区域，菊池花样晌1 0 值由8 6 降低平5 2 4 ，_ 阿应的f f t 变换后，亮区 血职逐渐减小，而经过m a t l a b 数据计算处理后，相庸的面 ! i ! ( 强度) 值由5 2 2 0 降低至1 8 5 3 ，表明b u f f e r 层区域衍射强度最低了6 45 即b u f f e r 层应力最大。 这与1 0 值、c l 值、f 1 t 值和位错密度等规律相似。 雾溺紧舄爹霪 迸麓鏊潮良濯 醪强网网 瓯凋瓯涵豳 曰3 - 8g a n 监宝石池花样【jf f r 业换和计算菊池花样( a ) 、f f r fc ) 变换( b ) 和二值图像 f i g8f f fc h a n g ea n dc a l c u l a t i o no r k t k u c h ip a u e mo f g a n ! s a p p h i r e k l l o a c h ip a e e mr “f f t c h a n g e ( b ) a n db i n a r yi m a g e s ( c ) 3i2 扫描近场声成像和扫描热成像分析 闰3 - 9 为g a n 靛宝石截【| ：i 样品的扫描形貌像图和声像罔( s n a m ) 。图像扫 一u!cqieb|s! 圆圈圜 心i 川7j # i m i 1 ，m 捕范1 4 为3 3l l m 曲川引像的f l 洲分为蓝玉石衬底，；、部分j , jg a n 层，c l i 【疆小mb u b c r j 圳n 位胃止圈3 - 9f b j 的，h 像罔一1 ，b u f f e r 层附近显币出。j 彤虢像- j 不j _ 的”常衬慢，b u l l c r 麓j l u 压伯扯2 0 十26 m v d l t , l ，比g a n 层 删b u m r 层晌1 1 变化j 6 0 ，表明段区域存在较高肃l 应力礼研拚缺陷，这j e b s dn j j1 0 阳显币的b u f l o r 层m 近的府力分布状态棚符。 一文 。粤譬4 景2 = =。： ，a )( b ) 目3 - 9 g a n 蓝宝石站构的形虢像( a ) 和声成像( b ) f i g3 - 9 r o p o g r a p l a y ( a ) a n d s n a m b ) o f g a n s a p p h i r es u c 圈3 1 0 为g a n 滴三行结构的h 描彤貌像罔刺h 拙热像阿( s i h m ) 。幽像扫 拙范围儿1 0 t 0b t m ，b u t 毪r 层的位胃如图中嫩线f j l ：耶。住图3l o ( b ) 的热_ 兰i 巾，清楚地显示在b u f f e r 层位借的电压值最低( 约- 2 v ) 袤明b u f f e r 岗的导热 半低1 g i l n 层_ f ib u t o r 层，为蛙低。采_ l j3 ( 0 办法，见公式( 3 2 ) 。 堕：! 生：h 坚一p ( 3 - 2 ) i n ( o a 、一i n ( o r 2 1 4d y ，以 其中卜加在针尖上的电瓜，“一角频率 触区针尖的长度，坚探针的温i ! ：| ：常数， d 7 1 章。 p 针尖传给样品的热损耗，卜接 ，。一衲始r a 流a 一待测氐的电导 锋出g a n 外延层和靠宝石衬底的热导率分别为1 3 0 一1 4 0 w f + 轴年i 3 3 3 51 w i o n * k ) ，由剧j 、可知，在b u f f e r 位置的热导率最低。b u f f e r 层的导热率 低与彦层仃在大量的品格失配，以及出此引起的错配心j 有关。 斟3 - 1 0 g a n 蓝它石结构的彤貌像( a ) 年u 热成像( b ) f i g3 - 1 0 t o p o g r a p h y ( a ) a n ds t h m ( b 】o f o a n s a p p h i r es l r u l u r e 32g a a s a i g a i n p 结构的e b s d 分析 对g a a s a i g a i n p 外延- l 构进行了形貌脱察( s e 像) 、晶体学分析( e b s d ) 和元索分析( e d s ) 。蚓3 - i l 为g a n a i g a i n p 结构的s e 像，圈中i r 3 的门也框 内为e b s d 的测量区域，包括圈2 - 7 所示的的g a p 、( a i o7 0 a o3 ) l m5 p ( m g ) 、 a i g a i n p 、( a l o7 g a o3 ) i n o5 p ( s i ) 、g a a sb u f f e r ( s 1 ) 和o o a s 衬底区域，分刊对应 圈3 一1 2 的a g 区。图3 - 1 l ( a ) 和l ( b ) 图巾的o8 5g m 的a i g a l n p ( 柏源区) 和o3 岬的a i o7 0 a o i 廿( 阻挡层) 锓示出较暗的衬度，往有源区 侧1 “m 厚的 a i o7 g a o3 1 n p ( 掺m g ) 却较亮，这足南j ：掺s i 比掺m g 丌显不出较高的原子序 数衬度； ( a ) ( b ) 剖3 - iig a a s a i g a l n p 结构；竹s e 像重掺s i ( a ) 和轻掺s i ( b ) r l g3 - ijs e i m a g eo f g a a s a i g a i n ps f f l l c t l l r c ：h c a 叫a d u h e r a t es i ( a ) a n dl i g h ta d u l t e r a t es i ( b ) 图3 1 2 为图3 1 1 中各层的e d s 元素面分布图、s e 形貌像，e b s d 的i q 图和相应各层晶格转动量。从元素面分布图中看出，i n 、a s 、g a 、p 、s i 、a i 和m g 元素在g a a s a 1 g a l n p 外延结构中的分布。它们与s e 像中显示出的成分 衬度和e b s d 菊池花样的i q 图相对应，可显示出各层所在位置：1 1 1 和a l 富集 在中间的( a l o 7 g a o 3 ) i n o 5 p ( m g ) 、a 1 g a l n p 和( a 1 0 7 g a o 3 ) i n o 5 p ( s i ) 层：a s 富集在 右侧的g a a s 衬底层；g a 富集在两边的g a p 和g a a s 层；p 富集在左侧的g a p 层及中间的( a l o 7 g a o 3 ) i n o 5 p ( m g ) 、a 1 g a i n p 和( 赳o 7 g a o 3 ) i n o ，5 p ( s i ) 层：s i 在 ( a l o 7 g a o 3 ) i n o 5 p ( s i ) 阻挡层掺杂，掺杂浓度1 0 p p m ，采用e d s 方法测试，无 法显示出有无s i 掺杂的外延层。m g 的掺杂浓度1 0 1 8 p p m ，此外，m gk c c 与a s l o t 谱线重叠，因此也无法采用e d s 显示出m g 在( a l o 7 g a o 3 ) i n o 5 p ( m g ) 阻挡层 中的掺杂浓度。轻掺和重掺杂的各元素的分布规律相似。 图3 1 2 的e b s d 的i q 分布图显示出( 见彩图) ，a 1 g a l n p 有源区( d 区) 的i q 平均值高于两侧的a 1 0 7 g a o 3 i n p 阻挡层( c 和e 区) ，表明阻挡层有效起 到缓冲晶格错配应力的作用，保证有源区有较高的出光率。比较重掺s i 与轻掺 s i 的i q 图看出，b u f f e r 层轻掺s i 比重掺s i 的i q 值高1 0 4 倍，表明轻掺s i 使 ? 晶格畸变较小，应力较小。由相应的晶格转动量的e b s d 测试也可知，重掺s i 后外延层晶格相对于g a a s 衬底的转动量