用现代x射线方法表征氮化镓基材料亚博网站下载

氮化镓(GaN)基材料的表征通常使用非破坏性x射线计量。亚博网站下载宽禁带半导体的主要类,GaN及其在/ Al利用等效基质等许多新设备的高电子迁移率晶体管(HEMTs),发光二极管(led),激光二极管,和太阳能薄膜外延层的形式,从几纳米到微米。器件性能通常与堆积顺序、层厚、晶体结构和化学成分有关。可以使用D8 DISCOVER多用途衍射仪(图1)与x射线反射率(XRR)、互反空间映射(RSM)和高分辨率摇摆曲线(RC)等技术来研究这些特性。

图1。D8发现实验设置

实验装置

在主要方面

• 2.2 kW的铜x射线管
• 2位主光学工作台
• Göbel镜子
• 004 2弹跳GE单色仪
• 轨道固定旋转吸收器配备准直器安装

样品阶段

• 中心欧拉摇篮(chi, phi, x, y和z)
• 真空吸笔

二次面

• 通用探测器安装特点是一个机动狭缝
• 闪烁计数器或LYNXEYE XE 0D/1D/ 2d模式探测器的探路者

这一多功能系统具有某些特点，如无对准组件安装、SNAP-LOCK和PATHFINDER配备了在三个次级光束路径之间的机动切换。它能够快速轻松地调整配置，完成以下测量，以完成GaN基系统的完整表征:

• X射线反射率（XRR）
• 高分辨率摇摆曲线（RC）
• 两次Theta-Omega扫描(2q/w)
• 互反空间映射

测量技术与结果

x射线反射计(XRR)

利用x射线反射计(XRR)方法可以研究x射线的镜面反射对不同电子密度的界面或光滑表面的干涉。利用XRR方法可以分析厚度从单层到微米的多层、单层、超晶格等的粗糙度、厚度和密度的表征。

在第一示例中，使用化学蒸汽分解（CVD）上放置在蓝宝石上的GaN层（图2）来收集XRR数据。数据在5分钟内收集。Diffrac Leptos可用于模拟并适合结果。它采用Parratt的形式主义来确定这些多层样本的反射率。从结果中，应当理解，沉积的膜由三层组成：GaN的顶层，厚度为0.92nm和较低的密度，界面层测量厚度为1.19nm，GaN层测量2.69nm厚。

图2。利用CVD在蓝宝石表面生长GaN薄膜的模型和拟合结果。

许多复杂的结构，如InGaN/GaN MQW (Multiple Quantum Well)，可以用XRR方法进行表征，这些结构在1µm GaN层上生长有超晶格势垒。图3显示了原始数据的覆盖，显示为黑色曲线，拟合数据显示为蓝色曲线。得到了量子阱和超晶格势垒的超晶格周期。结果表明，在1 μ m GaN上的完全叠加层厚度为219 nm。

图3。超格栅屏障的MQW结构建模与拟合结果。

摇摆曲线

表征起始模板氮化镓层的结构质量是必要的，因为氮化镓以柱状六角形晶体的形式生长，在商业可用的基片上轻微倾斜，并有平面扭曲。氮化镓作为所有后续氮化镓层的初步模板。使用透射电子显微镜进行的研究表明，平面内扭转和平面外倾斜分别与螺纹边缘和螺纹螺位错密度有关。

在氮化镓层上进行RC计算可以计算位错密度。这种方法相当简单，在一个特定的hkl的预测的2θ位置安装一个开放的检测器，当样品从负θ到正θ摇晃时，衍射强度就被记录下来。从氮化镓的平面外反射的摇摆曲线的半最大值全宽度(FWHM)可以获得螺纹螺位错密度，从非对称平面的平面内分量可以获得螺纹边位错密度。

大偏差被认为在应用摇摆曲线方法用于分析不同的XY位置4英寸厚的氮化镓薄膜,生产硅(图4和5)。观察结果说明不同的甘(004)的半最大值宽度从0.073到0.092º,甘为(102),应用不同于0.08到0.1º。基于此分析，可以明显看出GaN层在晶圆上的结构质量并不一致。

图4。(004)在4英寸晶圆片上的GaN FWHM变化。

图5。(102)在4英寸晶圆上的GaN FWHM变化。

2次扫描

探测来自原子间层的x射线相干散射，使用轴2的theta-omega扫描。原子间层平行于样品的表面，可以测定平面外晶格常数，Al/In浓度，或检查额外的代表不需要的二次相的峰。为了证明这一点，研究了在1µm GaN缓冲层上形成的Al(x)Ga(1-x)N薄膜。分析仪晶体在探路者用来收集2 ω的扫描图。分析晶体被用来清楚地表明探测器的角度接受，并减少由镶嵌扩展引起的贡献。分辨率的降低和重要数据的丢失，如在氮化镓层上部形成的In/AlGaN层的厚度条纹是镶嵌贡献的影响。薄膜的厚度可以通过(002)GaN和Al(x)Ga(1-x)N的反射来确定，这些反射与干涉条纹一起可见(图6)。

图6。（002）Al（x）ga（1-x）n / gaN两个ωomega扫描。

可以使用Diffrac.leptos实现膜厚度，化学浓度和晶格参数等因素，直到原始数据和模拟彼此匹配。沉积的Al（X）Ga（1-x）n的层厚度为31.06nm，其Al含量为23.22％（图7）。

图7。从1μmGaN种植的（002）Al（x）Ga（1-x）n的建模和拟合结果。

对于这个例子，使用了一个模型，考虑Al(x)Ga(1-x)N层完全应变，因此峰层的位置仅受化学成分的影响。Al(x)Ga(1-x)N层的弛豫或部分弛豫将使层的晶格参数完全不同。松弛的程度，结合成分的变化，测量层峰的位置在两个θ ω扫描。用互易空间映射方法表征Al (x)Ga(1-x)N层的应变和弛豫是必要的。

可以使用轴轴两种ω扫描来确定复杂晶格结构的厚度和浓度数据，如IngaN / GaN MQW。图8示出了建模和拟合结果，其中原始数据的叠加由黑色曲线表示并通过蓝色曲线拟合数据。与厚度相关的数据类似于先前与XRR获取的数据类似。该分析表明，超格子屏障和MQW的平均含量分别为6.62％和14.8％。

图8。基于超晶格势垒的MWQ建模与拟合结果

倒易空间映射

互易空间映射(RCA)通过对一组围绕薄膜和衬底布拉格反射的实空间测量值进行积分，在互易空间中构造了一个二维强度映射。反射的组成和程度可以根据不对称反射的互易晶格点的位置来测量。GaN常用的反射是114。为了确保薄膜是完全拉伸的，薄膜的不对称互反空间点应该被允许位于连接到衬底的垂直线上。为了使薄膜完全放松，在连接倒数空间的源的虚线上以及衬底点上也应该放置同样的东西(图9)。

图9。在不对称反射的倒数空间中应变/松弛的视觉表示

图10显示了利用114反射倒数空间映射在GaN层上生长的完全应变Al(x)Ga(1-x)N。通常，互易空间图是用0D探测器和分析仪晶体生成的，目的是在互易空间中实现高分辨率。整个过程大约需要6 - 12个小时。

图10。114+应变Al(x)Ga(1-x)N在GaN上的RSM

像Lynxeye XE一样的1D检测器可以用于降低测量时间。通过在两个θ扫描中的不同增量以不同的增量集成一系列的1D固定扫描，可以快速映射大的往复空间区域。图11示出了0d和1d（114）往复空间图的比较表示。

图11。在砷化镓上生长的专利薄膜。0D RSM - 9小时测量时间(上)和1D RSM - 1小时测量时间(下)给出相同的结果。

结论

这篇文章展示了各种x射线散射技术，如XRR、RSM、摇摆曲线和两个theta - omega扫描，如何使用超晶格势垒来表征单GaN层到更复杂的MQW。测量这些层是很容易进行使用D8发现衍射仪，感谢探测器光学和扣锁等先进技术。通过衍射衍生物的帮助分析了从这些创新方法获得的数据，其采用快速且稳健的算法，并提供所需的定量结果来定义基于GaN的材料。亚博网站下载

这些信息已采购，审查和调整Bruker Axs Inc.提供的材料。亚博网站下载

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