（材料学专业论文）gan薄膜微结构与电学特性关系的x射线衍射表征与研究.pdf

摘要 摘要 i i i v 族氮化物g a n 因其具有宽禁带半导体材料的典型优点而在光电器件、 光探测器、新颖高性能微电子器件等领域得到广泛的应用，成为目前国际上半导 体技术发展的热点。然而由于g a n 材料性质特殊，高质量高性能g a n 薄膜的获 得存在困难，g a n 的高效掺杂仍然不易实现，掺杂条件与g a n 薄膜微结构及电 学特性都有着较为复杂的关系，一些重要的相关物理现象和具体机理仍不是很明 确，这在一定程度上阻碍了g a n 材料应用的快速发展。因此，对g a n 薄膜进行 相关方面的进一步研究有其必要性和重要性。 本文首先在引言部分对g a n 薄膜的应用背景、制备方法以及g a n 薄膜微结 构与电学特性关系的研究现状进行了评述。基于此，提出了本文的选题依据，即 研究g a n 薄膜微结构与电学特性关系是基于“g a n 薄膜的重要应用背景和微结 构对其电学特性的可能影响以及目前此方面相关研究的不足”。随后对目前常用的 g a n 薄膜研究方法进行了回顾与比较，由于x 射线衍射的无损检测特性以及较准 确全面的表征特性，选择了x 射线衍射作为g a n 薄膜表征的主要手段。 本文的重点是利用x 射线衍射技术的多种测试方法对m g 原位掺杂p 型g a n 、 s i 离子注入n 型g a n 、高a l 组分a 1 g a n 的微结构进行了表征，并对薄膜内的应 变、位错、杂质及损伤缺陷等因素对微结构的影响以及微结构与电学特性之间的 关系做了细致的讨论。 在对m g 掺杂p 型g a n 的研究中发现，除热应力之外，m g 的激活行为及自 补偿效应会直接影响到g a n 薄膜中的外延应变。在对s i 离子注入n 型g a n 的研 究中发现，离子注入对g a n 薄膜带来的损伤随注入剂量增大而趋复杂化，当注入 剂量在1 1 0 1 5c m 乏到1 1 0 1 6c m 。2 之间( 注入能量为1 0 0 e v ) 时有损伤导致的无定 形层在近表面区域产生，升高r t a 温度对提升电学激活率及载流子迁移率有显著 效果，但注入剂量与电学激活率的关系有待进一步确证。在对高a l 组分a i g a n 的研究中发现由于晶格匹配的关系a 1 n 模板层比g a n 模板层更有利于生长高质 量的高a l 组分a i g a n 外延层。 这些研究结果进一步充实了g a n 薄膜微结构与电学特性关系研究的内容。 关键词：g a n 薄膜，掺杂，微结构，电学特性，x 射线衍射 a b s t r a c t a b s t r a c t a sa i li m p o r t a n ti i i - vg r o u p sn i t r i d e ，g a nh a sb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c h a sp h o t o - e l e c t r i c i t yd e v i c e s ，l i g h td e t e c t o r sa n dn o v e lm i c r o e l e c t r o n i c sd e v i c e se t c b e c a u s ei ta l m o s to w n sa l lt h et y p i c a lm e r i t so fw i d e - b a n d - g a ps e m i c o n d u c t o r s n o w a d a y s ，g a nh a sb e c o m ea f o c u si nt h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y a l lo v e rt h ew o r l d h o w e v e r , j u s tb e c a u s es o m es p e c i a lp r o p e r t i e so ft h i sm a t e r i a l ，i ti s v e r yd i f f i c u l tt oa t t a i np e r f e c tp - g a no rn - g a n ，t h ed o p i n gc o n d i t i o n sa c c o u n tf o r t h c c o m p l i c a t e dc h a n g e so ft h ec r y s t a l m i c r o s t r u c t u r e sa n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s ，t h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e m a r eh a r dt ou n d e r s t a n dc o m p l e t e l y , s o m ee s s e n t i a l c o r r e l a t e dp h e n o m e n aa n dm e c h a n i s m sh a v es t i l ln o to b t a i nc o m p r e h e n s i v ea n d r e a s o n a b l ee x p l a n a t i o n sa sy e t c o n s e q u e n t l y , m a k i n gs o m em o r es y s t e m i ca n dd e e p c o r r e s p o n d i n gr e s e a r c ho ng a n i sv a l u a b l e i nt h ei n t r o d u c t i o no ft h i sm a s t e rt h e s i s ，t h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n so ft h eg a n t h i n f i l m s ，p r e p a r a t i o nm e t h o d sa n dt h ec u r r e n tr e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fg a nt h i nf i l m sa r er e v i e w e d o nt h eb a s i so ft h e r e v i e w , t h ei n v e s t i g a t i o no ft h es t r u c t u r e p r o p e r t i e so fg a nt h i n f i l m sb yx r a y d i f f r a c t i o nm e t h o d si sp r o p o s e d m a i nc o n t e n to ft h et h e s i sa r ea l s og i v e ni nt h e i n t r o d u c t i o n 砀et h e s i sf o c u s e do nu s i n gd i f f e r e n tm e a s u r em e t h o d so fx r a yd i f f r a c t i o nt o f i g u r et h em i c r o s t r u c t u r e sa b o u tm g - d o p e dpt y p eg a n ，s i i m p l a n t e dn t y p eg a n ，a n d h i g ha ic o n t e n ta 1 g a n ，m o r e o v e r , r e s e a r c h e da n dd i s c u s s e dt h ed e p e n d e n c e so f e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so nm i c r o s t r u c t u r e sd e t a i l e d l y w ef o u n dt h a tt h ee p i t a x i a ls t r a i ni nt h em g - d o p e dg a nt h i nf i l mw a sd i r e c t l y i n f l u e n c e db ya c t i v e m ga n di t sc o r r e l a t i v es e l f - c o m p e n s a t i o ne f f e c tb e s i d e st h e r m a i s t r e s s i nt h ea n a l y s i so fs i i m p l a n t e dg a n ，t h ei m p l a n t a t i o n i n d u c e dd a m a g e si ng a n t h i nf i l mw e r ef o u n dc o m p l i c a t ew i t ht h ei n c r e a s eo fi m p l a n t e dd o s e ，w h e nt h ed o s e i n c r e a s e dt o1 10 1 6a m ，t h e r ew a sa m o r p h o u sl a y e ra p p e a r e di nt h ea r e ac l o s e dt o t h es u r f a c eo fg a nt h i nf i l m ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h et e m p e r a t u r eo fr 1 r ag r e a t l y i n f l u e n c e dt h ee l e c t r i c a la c t i v a t i o ne m c i e n c ya n dc a r r i e rm o b i l i t y , b u tt h ed e t a i l e d i l r e l a t i o n s h i p b e t w e e nd o s ea n d e l e c t r i c a la c t i v a t i o n e f f i c i e n c y w a ss t i l ln o t s t r a i g h t f o r w a r d t h et r i p l ea x i sc r y s t a lx r a yd i f f r a c t i o np e r f o r m e do nt h eh i g ha 1 c o n t e n ta i g a ne p i t a x i a ll a y e rs h o w e dt h a ta 1 nt e m p l a t ew a sm o r es u i t a b l et og r o w h i 曲a ic o n t e n ta i g a nt h a ng a nt e m p l a t ed u et ot h e i rl a t t i c em a t c h i n gd e g r e e t h e s er e s u l t so b t a i n e di nt h e s er e s e a r c h e sa r ec o m p l e m e n t a r yt ot h ec u r r e n ts t u d y o nt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft h eg a n t l l i nf i l m s k e y w o r d s ：g a n ，d o p i n g ，m i c r o s t r u c t u r e ，e l e c t r i c a lp r o p e r t i e s ，x r a yd i f f r a c t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：z 澎年午月歹e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签 日期： 第一章引言 1 1 背景 第一章引言 半导体行业的飞速发展对半导体器件提出了更高的要求，在光电器件、高温 器件以及大功率器件等领域，传统硅材料的自身局限性决定了其不能够完全满足 器件的应用要求。宽禁带半导体材料由于具有宽带隙、化学性质稳定、介电系数 小、高的电子饱和漂移率、高的击穿场强、热导率高等优点，非常适宜于制作光 电器件及大功率、抗辐射、高频、高集成度的电子器件，因而备受关注，逐渐获 得了快速发展及广泛应用。g a n 作为一种重要的i i i v 族宽禁带化合物半导体材料， 被誉为是继第一代g e 、s i 半导体材料，第二代g a a s 、i n p 化合物半导体材料之后的 第三代半导体材料，具有优良稳定的物理及化学性质，已成为研究和应用的热点。 1 2g a n 的物理性质 i i i 族元素和v 族元素之间的电负性差距很大( a i = i 1 8 ；g a = 1 1 3 ；i n = 0 9 9 ： n = 3 o ) ，i i i v 族氮化物由此具有很强的化学键，也因此具备很多独特的物理性质， 这些物理性质是g a n 材料得以广泛应用的根本原因。 g a n 分为纤锌矿( 密排六方点阵) 和闪锌矿( 面心立方点阵) 两种结构，其中，六 方g a n 的稳定相为纤锌矿结构，立方的亚稳相为闪锌矿结构。两种结构的主要差别 在于原子层的堆积方式不同，因而各自的物理特性也有显著区别，两种晶体结构 如图1 1 示意。 ( a )( b ) 图1 1g a n 的两种晶体结构：( a ) 纤锌矿：( b ) 闪锌矿 电子科技大学硕士学位论文 本文的研究对象为具有六方对称纤锌矿结构的g a n ，其重要的物理特性主要表 现为以下几点： ( 1 ) g a n 的禁带宽度为3 4 4 e v ，且为直接宽带隙半导体。 ( 2 ) 具有高的热导率及良好的热稳定性，与s i 和g a a s 相比，g a n 的高热导率更 有利于器件的散热；具有高的电子饱和漂移率；此外，g a n 的击穿电场强度高达 3 x 10 6 v c m 1 1 。 ( 3 ) g a n 能, 够与a 1 n 、i n n 等形成多元合金，使得能带在很宽的一个范围内可调 ( 1 9 “2 e v ) ，这样可以激发出特定波长或者形成器件结构中异质结构势垒。 ( 4 ) 纤锌矿结构的g a n 为非中心对称结构材料，存在沿特定轴的压电极化效应。 同时，g a n 沿六方c 轴的两个相反方向呈现不同的原子序列，形成两个分别由阳离 子g a 和阴离子n 构成的不同基本面，阴阳离子中心不一致，导致阴、阳离子向单一 方向偏移产生偶极矩，从而形成自发极化效应【2 】【3 1 。 1 3g a n 的应用 关于g a n 的性能、应用和制备的研究，已成为国际上半导体材料与器件的一个 热点。g a n 的上述优良特性使得它在短波长光电器件、光探测器件、光存储和高频、 高温器件以及大功率器件等许多方面都有着非常广阔的应用前景。图1 2 给出了 g a n 的主要应用。 h e m t 器件ll 极端环境应用i 高温器件 极化效应 直接宽带隙 物理化学 性质稳定 = 工 一 g a n 材料 = 一 多元合金 带隙可调 高热导率 高击穿场强 发光器件ii光探测器ll 大功率器件 图1 - 2g a n 薄膜材料的主要应用 2 第一章引言 1 4g a n 的制备方法 由于g a n 体单晶非常难以获得，即便是已有一些研究报道对g a n 体单晶生 长取得了一定进展【4 】【5 】，但它们的质量还无法达到作衬底的要求。因此现今对g a n 的研究都集中在以异质材料( 如a 1 2 0 3 、s i c 、s i 等) 为衬底的外延生长薄膜上。随 着异质外延技术的进步，现在已经可以在特定的衬底材料上外延生长获得质量优 良的g a n 外延层，这也使得g a n 材料体系的应用得到了迅速发展，异质外延技 术成为了制备g a n 薄膜的主要方法。 1 4 1 生长工艺 g a n 的外延生长一般有以下几种工艺：金属有机化学气相沉积( m e t a lo r g a n i c c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) ，分子束外延( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ) ，卤化物气相外 延( h y d r i d ev a p o rp h a s ee p i t a x y ) ，此外还有比较新颖的横向外延过生长( l a t e r a l e p i t a x i a l l yo v e r g r o w n ) 以及悬空外延( p e ) 等工艺。其中m o c v d 和m b e 是制各 g a n 及其相关多层结构薄膜的两大主流技术，它们各有独自的特点。然而从实用 商品化技术方面考虑，m o c v d 方法由于其设备相对简单、造价相对较低、生长 速度快等特点成为了外延生长g a n 最主流的方法。本文所研究的g a n 均采用 m o c v d 方法制备，因此这里只以其为例作简要介绍。 1 4 2 金属有机化学气相沉积法( m o c v d ) m o c v d 又称m o v p e ( 金属有机气相外延) 。m o c v d 法用i i i 族元素的有机 化合物和v 族元素的氢化物作为原材料，通过氢气或氮气等载运气体带入反应室 在高温加热的衬底上外延成化合物单晶薄膜。反应时的关键是避免有机分子中的 c 沉积下来污染样品。m o c v d 生长的优点是：( 1 ) 金属有机分子一般为液体， 可以通过精确控制流过金属有机分子液体的气体流量来控制金属有机分子的量， 控制形成的化合物的组分，易于通过精确控制多种气体流量来制备多组元化合物： ( 2 ) 易于掺杂，m o c v d 从气相可实现原位掺杂；( 3 ) 易于通过改变气体制备界面陡 峭的异质结或多层不同组分的化合物；( 4 ) 可以通过改变i i i 族源气体流量在 o 0 5 1 0 u m m i n 的大范围内控制化合物的生长速度。 此外，m o c v d 方法具有产量大、生长周期短的特点，到目前为止，它是唯 一实现产业化生产g a n 基器件的制备方法。 电子科技大学硕士学位论文 1 5g a n 薄膜技术的发展 1 5 1 外延生长 为了获得优良的g a n 外延层，许多人做了大量的研究探索，无论从外延装置 的改进上，生长原材料气源的选取上，从衬底的选取及处理上，还是从缓冲层的 选取与利用上，都在理论和实践上取得了重大成果【6 j 。 为了克服晶体生长过程中的问题，经过多年研究，在外延装置上开发了各具 特色的应用技术。如赤崎的水平双层流法【7 1 ，以及k n i s h i d a 等人改进的水平双层 流法( 衬底旋转) 1 8 1 ，中村等人的垂直两气流法等【9 】。这些方法在一定程度上改进了 气流模型，增强了反应效果，克服了副反应物的不良影响，取得了显著效果，尤 其是中村等人利用垂直双气流技术连续取得了l d 研究的急剧进展。 在g a n 外延膜衬底的选者上，人们都倾向于s i c 和蓝宝石。s i c 是与g a n 晶格常数最为匹配的异质材料，但由于s i c 本身技术的限制，其大块衬底难以获 得，成本相当昂贵，因此现在多使用技术成熟、价格适宜的蓝宝石晶体。而蓝宝 石( a 1 2 0 3 ) 与g a n 的晶格常数差异较大，达1 4 的失配度，造成g a n 外延膜中产 生多达1 0 8 1 0 c m 。2 的位错缺陷。因此，一些失配度更小的新的适宜衬底材料也 正在研究开发中。但目前所用的衬底材料主要仍是蓝宝石，经过多年的研究，通 过采用适当的控制方法及生长结构，已经可以在蓝宝石衬底上获得晶体质量优良 的g a n 外延层。 缓冲层生长技术的应用使得g a n 外延薄膜质量得到了飞跃。1 9 8 6 年天野、 赤崎等人用m o c v d 技术在6 0 0 低温生长a 1 n 薄膜，然后再在其上高温1 0 0 0 外延生长g a n ，获得了平坦光滑的外延层 1 0 】。之后，中村等人也深入研究了缓 冲层生长技术，1 9 9 1 年他们在5 5 0 生长的g a n 缓冲层上进行1 0 0 0 的g a n 外 延生长，同样获得了光洁平整的g a n 。 1 5 2g a n 的掺杂 1 5 2 1 掺杂方式 半导体的掺杂方式一般分为三种：原位掺杂、离子注入、热扩散。对于g a n 而言，由于掺杂杂质原子在g a n 中的扩散系数均非常小，使得热扩散掺杂需要在 很高的温度下进行，且所需时间长，因而基本上未采用这一掺杂方式，原位掺杂 4 第一章引言 与离子注入为g a n 的主要掺杂方式。原位掺杂( 即在g a n 的晶体生长过程中进行 掺杂) 因可实现均匀掺杂、对g a n 晶体损伤较小、生长掺杂同步化等特点而被广 泛应用；离子注入因可实现准确控制掺杂区域、掺杂深度等优点而被广泛应用在 g a n 基器件制造领域。 1 5 2 2p 型掺杂 m g 是g a n 最适宜的p 型受主掺杂剂，在m o c v d 方法中，通常采用c p 2 m g 作为m g 源进行p 型掺杂。但由于m g 很容易与g a n 生长氛围中大量的h 形成 m g h 络合物，这造成了m g 的钝化，使掺杂后的g a n m g 呈高阻性而不能获得 p 型电导，因此必须对掺杂后的g a n 进行m g 激活。1 9 8 9 年天野等人利用低能电 子束辐射( l e e b i ) 处理g a n ：m g 获得了低阻的p 型g a n t l l 】。但这种方法仍存在 许多缺点，不能够获得均匀的p 型导电性能。直到1 9 9 1 年，中村等人发明了快速 热退火( r a p i dt h e r m a la n n e a l i n g ) t r y 法【1 2 】，他们利用此法处理后的g a n ：m g 呈现 出整个膜层内较为均匀的p 型电导，电阻率为2 0 h m c m ，空穴浓度为3 x 1 0 1 7 c m 3 。 此时p 型导电在一定程度上得以实现，但导电性能并不稳定。随后，1 9 9 2 年中村 等人发现了m g h 络合物的补偿问题【1 3 】，这样，从早在2 0 世纪6 0 年代就开始探 索的g a n 的p 型化问题才获得了较为成功的解决。 然而由于g a n 的p 型掺杂机理与补偿机制非常复杂，到目前为止，获得优良 的p 型g a n 导电性能仍然是一个国际性的难题。许多人对此做了进一步的具体研 究：v a nd ew a l l e t l 4 1 考虑了g a n 中主要杂质和缺陷的形成能的影响：k o d o z o y t l 5 1 考虑了g a n 中m g 的溶解度的影响；k a u f m a n n ( 1 6 】等人研究分析了g a n 中背景载 流子浓度以及本征补偿施主n 空位与受主中心m g a 。组成的复合物对p 型掺杂的 补偿机制；这些研究有助于深入理解g a n 的p 型掺杂机理，为优良p 型g a n 的 获得奠定了良好基础。 1 5 2 3n 型掺杂 g a n 的n 型掺杂相对比较容易实现，这一方面是由于自然生长的未掺杂g a n 表现出一定的n 型电导，此外g a n 的n 型掺杂机理要简单的多。s i 由于具有良好 的浅施主特性，它在g a n 中引入浅施主能级，具有较小的电离能，因此它是目前 n 型g a n 材料中最常用的施主掺杂剂，通过控制掺杂可以达到1 0 2 0 c m 3 数量级的 载流子浓度。 电子科技大学硕士学位论文 1 5 3 微结构与电学特性的研究 1 5 3 1 研究现状 随着g a n 薄膜材料外延生长、掺杂以及应用的不断发展，其微结构与性能关 系的探讨也得到越来越多的关注，许多学者对此做了相关的研究报道，取得了很 多有意义的成果。s o k u c h e y e v 等人着重研究了离子注入条件( 剂量、能量、温度 等) 对g a n 晶体微结构的影响以及g a n 对缺陷的动态修复过程【1 7 】【1 8 】；y o s h i t a k a 等人对退火温度及注入剂量与离子注入n 型g a n 电学特性的关系进行了较为系统 的讨论【l 川；s v e n s k 等人报道了m g 掺杂流量和退火条件对g a n 晶体微结构及电 学特性有重要影响：s p o r o w s k i 等人研究认为掺杂g a n 在高温( 1 5 0 0 c ) 高压 ( 2 0 k b a r ) 的n 2 氛围中退火其微结构与电学特性均有改善【2 l 】；在薄膜应力方面也有 一些相关研究【2 2 之4 】；此外，近年来a 1 g a n g a n 异质结构也成为研究热点，出现 了许多最新的报道【2 5 - 2 9 1 。在几乎所有的相关研究中，微结构与性能之间都有着必 然和深刻的联系，此方面的研究揭示出一系列的规律性，也发现一些问题，取得 了成果，也需要更进一步的深入和展开。 1 5 3 2 主要研究方法 对g a n 薄膜的微结构与性能进行相关研究的主要方法有卢瑟福背散射光谱 ( r b s c ) 、拉曼散射光谱( r a m a ns p e c t r a ) 、光致发光光谱( p l ) 、h a l l 电学特性测量、 透射电子显微镜( t e m ) 、原子力显微镜( a f m ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、以及x 射线衍射( x r d ) 等。 它们各有特点，其中x r d 具有无损的检测特性，且能够对晶体微结构进行 全面有效的表征，因此，本文主要采用x r d 这一方法进行g a n 薄膜的微结构表 征，并对微结构与电学特性关系作相应探讨。 1 6 本论文的选题依据和主要内容 随着微电子技术的发展，宽禁带半导体薄膜材料在许多重要领域体现出其相 比于传统半导体材料具有明显的优势，g a n 作为这一新颖半导体材料体系的典型 代表，其重要性不言而喻。而为了使g a n 能够得到更快的发展及更有效的应用， 人们需要对g a n 薄膜的微结构性能之间的关系有一个深刻的了解，这也就为本 研究工作的开展提供了一个良机。 6 第一章引言 1 6 i 选题依据 ( 1 ) 从应用上，随着人们对g a n 薄膜认识的不断深入，各类g a n 基器件也就 应运而生，然而由于g a n 优良的p 型电导仍然难以实现，掺杂杂质、背景载流子、 晶体缺陷等多种因素的具体行为特性以及应变效应都会对其性能产生多方面的复 杂影响；离子注入实现掺杂的g a n 其性能与内部所受辐射损伤有着紧密的相关 性，且与退火及注入条件也有密切联系。因此利用有效的技术手段对此进行相应 分析研究成为了提高g a n 薄膜及其器件性能、可靠性的重要基础之一。 ( 2 ) 从学术上，尽管到目前为止针对g a n 薄膜微结构性能的一系列研究讨论 已经展开，但仍有不足之处，尤其是针对m g 掺杂p 型g a n 在电学激活退火过程 中残余应变的演化及其与薄膜微结构、电学性能之间关系的研究更是了了无几； 此外，对于s i 离子注入的n 型g a n ，虽然有许多与此相关的研究报道，但在注入 剂量对电学激活率的具体影响以及微结构与电学性能之间关系等方面，研究的结 果不尽相同，缺乏足够有力而全面的论证。本文主要针对以上相对不足之处做了。 较为系统的研究。 1 6 2 本文的研究内容 首先本论文利用双晶高分辨x 射线衍射技术( d c x r d ) 、扫描电子显微镜 ( s e m ) 对m g 掺杂p 型g a n 薄膜在电学激活二次退火过程中残余应变的演化及其 对g a n 微结构、p 型电学特性的影响作了细致的研究，得出了一些有意义的结果。 随后本文利用d c x r d 技术详细表征分析了s i 离子注入对g a n 薄膜造成的 辐射损伤随退火温度和注入剂量的演变及其对g a n 的n 型电学特性的影响，此外 讨论了对退火及注入条件进行深入优化的必要性。 最后，利用三轴晶x 射线衍射技术( t a x r d ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 对g a n 与a i n 形成的多元合金化合物即适用于紫外日光盲探测器窗口层的分别以g a n 、 a i n 为模板层作为假衬底生长的高a l 组分a i g a n 外延质量进行了表征分析，讨 论了不同模板层对高a l 组分a i g a n 外延质量所产生的不同影响。 7 电子科技大学硕+ 学位论文 2 1 实验仪器简介 第二章实验平台构建 实验采用b e d e 公司d 1 研究型高分辨多功能x 射线衍射仪，仪器在光源台部 分装配有全功率为2 k w 的封闭式x 射线管，2 块单晶s 啦2 0 ) 双沟道x 射线调节 晶体用来准直x 射线并提高x 射线的角分辨率和单色度，在探测台部分装配有索 拉狭缝以及l 块分析晶体来限制衍射x 射线的接收角度。仪器内部构造及工作示 意固如图2 - l 所示。 图2 1b e d ed 多功能衍射仪工作示意闰 仪器光源台部分的两块调节晶体可以移动并旋转并且可以根据样品的种类选 择不同光源的配各。常用的光源配置有以下几种，如图2 - 1 光源台放大部分( 下方) 所示： ( 1 ) 直射束，不加任何晶体，角发散度在3 5 ”( 1 。= 3 6 0 0 ”) 左右，用于多晶薄膜的 第二章实验平台构建 粉末衍射、结晶质量、织构以及应力的测量。 ( 2 ) 仅第二块双沟道晶体( 光线通过非对称沟道，x 光2 次反射) ，角发散度2 5 ” 左右，用于外延薄膜的基底斜切角、外延倾角、外延曲率、外延膜弛豫度、结晶 质量的测量。 ( 3 ) 两块双沟道晶体( 光线通过非对称沟道，x 光4 次反射) ，又称高强度模式， 简称h i 模式，角发散度1 2 ”，用于外延薄膜的晶面倾斜、晶格畸变、倒易空间图 的测量。 ( 4 ) 两块双沟道晶体( 光线通过对称沟道，x 光8 次反射) ，又称高分辨模式， 角发散5 ”，用于外延薄膜以上参数的更高精度的测量。 测角仪及样品台部分如图2 1 放大部分( 上方) 所示，测角仪为1 2 尤拉环 可做x 、y 、z 、巾、v 六个方向的平动和转动，因此可以做薄膜的织构以及应 力的测量。样品台为薄膜测试专用样品盘，可放置直径最大为2 0 0 r a m 的样品， 可做1 5 0 m m 1 5 0 m m 范围内的均匀性分度图。 多功能组合探测台部分配有石墨单色器、索拉狭缝、双沟道分析晶体等高精 度光学配件大大提高了测量的精度，增加了测量的多样性。仪器探测器为位敏闪 烁探测器，具有测量精度高，响应范围广的特点。 该仪器的高精度与多功能性为本研究提供了良好的硬件基础。 2 2 外延单晶薄膜的x 射线衍射表征方法及原理 2 2 1 双晶衍射与三轴晶衍射 x 射线衍射方法被广泛用于薄膜研究。对于多晶薄膜，一般用常规的直射束 x 射线衍射方法，而对外延单晶薄膜进行更精确的测量时，可以采用双晶或三轴 晶高分辨x 射线衍射方法。 双晶( d c x r d ) 及三轴晶( t a x r d ) x 射线衍射的一般光路配置大致如图2 2 所 示。双晶衍射( 图2 2 ( a ) ) 时入射x 射线经单色晶体1 得到单色性好、角发散度小 的入射束；三轴晶衍射( 图2 2 ( b ) ) 时在探测器前加一个单色分析晶体3 ，和单色晶 体1 、样品单晶2 一起形成三轴晶，分析晶体的作用是减小接受角，此时角分辨 率将有显著的改进。 对于本文所采用的实验平台，前单色晶体1 相当于光源台内( 见图2 1 ) 所配备 的晶体，通过适当调节光源台内的单色晶体，可获得满足实验条件的光源配置。 9 电子科技大学硕士学位论文 x - r a ys o u r c e。 l 一一一咖咖a 衄 l i 2 is 嫩阳晰 s a m p l e 、一一一- 圈、i 幽 r = - 一苄n o 。一! 一如由蹦 s t a n p 汰l e 斗阑 、 il 、： 2： l ： ll d e t 咖| 圈i ( a )( b ) 图2 - 2 外延单晶x 射线衍射方法的光路示意草图：( a ) 双晶衍射；( b ) - - 轴晶衍射 2 2 2 布拉格衍射基本原理 x 射线衍射方法在本质上是利用电磁波和周期结构的衍射效应，其研究晶体 结构的物理基础是布拉格公式和衍射理论。布拉格公式一般表示为2 d s i n o = n 2 ， 如图2 3 所示，这里的d 是( h k l ) 晶面间距，0 为布拉格角( 入射角或衍射角) ，整 数n 是衍射级数，九是x 射线的波长，硒为x 射线入射方向，k 为衍射方向。 。 、 ，” 、 一， “ 、 钆，m 蛐。 、 c r y s t a ls t r u c t u r e。 图2 - 3x 射线的布拉格衍射基本原理 由布拉格公式可知，在定的入射波长条件下，对应于一定晶面间距d ，产 生各级衍射均有固定要求的掠射角0 ，这就与可见光的镜面反射有很大差异，后 者的入射角度是任意的。此外，因为s i n o l ，1 1 也不能过大。布拉格衍射除了必 须满足上述条件外，还要适合下列条件： ( 1 ) 入射线、衍射线和衍射晶面的法线必须在同一平面上； ( 2 ) s i n o 的绝对值只能小于l ，所以r u v 2 d 必须小于1 ，当n = l 时，九必须小 于2 d c h v a ) ，方能得n ( h k b 晶面的衍射； ( 3 ) x 射线被晶体的原子面反射时，不仅是晶体表面，晶体内层原子面也参与 了反射作用。 l o 第二章实验平台构建 2 2 2 1 对称布拉格衍射 当一束x 射线入射到一组相干晶面时，这组晶面反射x 射线的行为相当于一 块平行光栅。由布拉格基本原理，x 射线被晶体衍射相当于x 射线由一组晶面的 反射。也就是说，反射线、入射线和反射晶面成等角。此时，被观测晶面总是平 行样品表面，如图2 。4 示意。这就是对称布拉格衍射基本原理。 i。、 l 、 l i 。 图2 4 对称布拉格衍射几何示意 2 2 2 2 非对称布拉格衍射 当x 射线相对于样品表面的入射角与出射角不相等时，x 射线衍射服从非对 称布拉格衍射几何原则，被观测晶面不在与样品表面平行而是成一定的夹角。此 时，需要引入方位角这一新变量，将被测晶面相对样品表面的夹角定义为方位角 v ，如图2 5 示意。方位角v 规定了被观测晶面与样品表面的相对位置，通过对x 射线衍射仪的测角仪部分进行相应调节，可实现非对称晶面的衍射测量。 l 形 图2 5 非对称布拉格衍射几何不恿 非对称布拉格衍射是指入射线和反射线( 衍射线) 相对于样品表面不对称，而 相对于观测晶面来说总是对称的。 布拉格公式是实际的正空间中的规律，它可以在倒易空间中用相应方法表示 出来，下面对x 射线衍射方法在倒易空间的基本实施原理作简要介绍。 2 2 3 倒易空间的基本原理 倒易空间是晶体系统的另外一种表达方式，它的对称性质与正空间晶体点阵的 电子科技大学硕十学位论文 结构一致。在典型的x 射线散射实验中，正空间中各个波矢之间关系如图2 4 所示。 其中k l 为入射x 光的波矢，k 2 为散射x 光的波矢。我们假设这是个弹性散射的过程， 那么这两个的波长是相等的，即i k i = i k ：i = 2 n 五，其中旯为x 射线在真空传播的 波长。对于给定的波长，x 光散射强度可以表示成散射矢量的函数，散射矢量定义 为q = k 2 一k l 。 如果完美单色的入射平面波的入射方向由k l 定义，散射方向由k 2 确定，那么代 表样品性质的散射强度的角度分布就可以由其在倒易空间中的分布( 倒易空间图) 来 表达。严格来说，这种表达仅仅当散射波矢，入射波矢与样品表面的法向矢量共面 ( 散射平面) 时成立。这种散射几何称为共面散射几何，如图2 4 ( b ) 所示。在这种几何 中，入射波矢的坐标可以由入射角0 l 以及方位角( p l 给出( 图2 4 ( a ) ) ： k l = ( k l ，k k l ：) = k ( c o s 0 1c o s ( p l ，c o s o lc o s ( p 1 ，s i n 0 1 )( 2 1 a ) 类似，出射波矢的坐标可以表示为； k 2 = ( k 2 ，k 2 y ，k 2 ：) = k ( c o s 0 2c o s ( a 2 ，c o s 岛c o s ( p 2 , - - s i n 0 2 ) ( 2 一l b ) k ， 、_ 、 7 z - 鬟、哇， z - 二! ! t ，：1 。l ，? v 、rz x 【a )【b ) 图2 4 散射实验的实空间表示 ( a ) 入射角0 l 与入射波矢k l 方位角币i 的定义；( b ) 共面散射几何中实验安排的草图 如果样品是横向均匀的，散射仅仅作用在入射平面内，这样就可以很容易省略掉y 方向的分量( ( p 1 = 午2 = 0 ) ，那么在这种几何中，就可以仅考虑x 与z 方向上的分量， 于是： k l = ( k l ，k l ：) = k ( c o s 0 i ，s i n 0 1 ) k 2 = ( k 2 j ，k 2 ：) = k ( c o s 岛，一s i n 岛) 1 2 ( 2 - 2 a ) ( 2 - 2 b ) 第二章实验平台构建 因此，散射过程中的散射矢量q 可表达为： q = k 2 一墨= k ( c o s 8 2 一c o s 8 i ，s i n 9 2 + s i n 9 1 ) 一s 洫伪( 咖华，s 华) q 。 其中k = 2 航，f q f = 2 k s i n ( 2 0 2 ) ，2 0 为散射角。进一步分解q 可得： q = k ( s i n 0 1 + s i n 0 2 ) o x = k ( c o s 幺一s i n 最) ( 2 4 a ) ( 2 4 b ) 这些方程在倒易空间坐标q x ，q ：与实空间中测量到的相对于样品表面晶面的角坐 标0 l ，0 2 之间建立了联系，使利用倒易空间图研究晶体结构成为可能。 通常在测角仪上，样品的转动角度定义为，探测器的转动角度为2 e ，这些角 度与e l ，0 2 之间的关系可表示为： o = 0 1 以及2 0 = 0 2( 2 5 ) 2 2 4 倒易空间的实验扫描模式 2 2 4 - 1 基本模式 倒易空间的扫描模式如图2 5 所示。 图2 - 5 角色散装置在倒易空间中的不同扫描模式 1 3 电子科技大学硕士学位论文 在测角仪上可以实现的不同的四种特殊扫描如下： 1 ) 径向或者补偿扫描是指平行于或者倾斜于q ：的扫描。它要求测角仪以 a o 2 0 = l 2 的比例运动。通常m 2 0 2 。 2 ) 镜面或者q z 扫描是指定向平行于样品表面法向( 沿q ：的正向) 的扫描。它 的特点是a c 0 2 0 = 1 2 ，c o = 2 0 2 。对于表面来说，这意味着0 1 = 。2 。 3 ) 通过在固定的2 0 位置旋转样品的扫描方式称为摇摆扫描或者扫描。如果0 l 与0 2 之间的差别不大，这种扫描模式大概沿着垂直q ：的方向运动。 4 ) 探测器或者2 0 扫描是指固定的入射角0 i ，改变散射角0 2 的扫描方式。这种扫 描描述了q x ，q ：平面中的一个圆周。 2 2 4 2 倒易空间映射( r e c i p r o c a ls p a c em a p p i n g ) 为了获得更直观和精确的衍射信息，我们可以通过组合扫描方式来获得倒易 空间二维衍射图或倒易空间映射i 羽( r e c i p r o c a ls p a c em a p p i n g ) 。一般是将0 2 0 扫描 与扫描相结合，即以c o 为补偿方向，在每一个c o 方向进行一次0 2 0 扫描，这样取 样点在理论上就可以遍及整个倒易空间。 倒易空间映射图可用来分析晶体材料的应力、应变、晶面效应及晶向效应。 对于实际生长的晶体材料，由于受晶格的匹配、生长温度等问题的影响，必然会 有一定的应力存在，从而导致一定的晶格形变。根据布拉格衍射定律，无形变晶 格任何一个晶面的衍射强度极大值只能在一点取得。但当外延层和衬底之间存在 应力，整个外延层就会发生弯曲。晶面弯曲时，其衍射强度极大值可以在一个区 间或一个邻域内取得，该范