氮掺杂砷化镓薄膜的XPS分析

实现氮掺杂GaAs (GaAs)_{1 - x}N_x)在高效太阳能电池和垂直腔面发射激光器(VCSELs)中越来越普遍。氮掺杂已被证明会引起主能带结构的扰动。¹

确定化学状态和氮浓度对确定材料的电子结构至关重要。x射线光电子能谱学(XPS)是一种常用的用于稀N掺杂材料表面表征的技术。

本应用笔记比较了使用Al Kα和Ag Lα作为激发源进行GaAs的XPS分析_{1 - x}N_x．利用高光子能量激发源“消除”与N 1s核心能级光电发射峰重叠的俄歇跃迁的好处。

此外，还详细介绍了利用Ag Lα激发来表征薄膜材料所提供的增加采样深度的优点。

XPS广泛用于复杂材料的分析，使表面化学物质的定量测定。亚博网站下载过渡金属化合物及合金的表面分析是该方法的一个关键应用领域。

这些材料的XPS分析的一个最重要的特点是量化表面物种和评估氧化态的潜力。亚博网站下载然而，随着俄歇电子峰的出现，光电子谱可能会变得复杂，俄歇电子峰是被激发离子在驱逐光电子后发生弛豫的结果。

实验

XPS结果是利用奎托斯轴仪器双单色铝和银激发源。这个附件允许通过采集软件在Al和Ag x射线源之间自动切换。

被表征的样品由经过氮化处理的GaAs衬底组成，在约1 - 3 nm GaAs的表面形成薄膜层_{1 - x}N_x．

结果与讨论

图1显示了GaAs中Al Kα激发的测量谱_{1 - x}N_x在砷化镓衬底样品上生长的薄膜。除了表面污染物碳和氧外，还标记了关键元素Ga、As和N的光电发射峰。

可以清楚地看到，由蓝盒限制的Ga LMM俄歇跃迁对测量光谱有非常强的贡献。值得注意的是，这些俄歇跃迁与N 1s和O 1s光电发射峰重叠。图1插图显示了N 1s/Ga LMM区域的高分辨率窄区域扫描。

图1所示。GaAs的Al Kα激发谱_{1 - x}N_x和(插入)N 1s/Ga LMM区域高分辨率扫描。图片来源:Kratos分析公司

N 1s/Ga LMM包络线产生了一个广泛而复杂的结构。单对称分量用于N 1s峰，三个宽峰用于描述Ga LMM跃迁。

虽然模型与数据吻合得很好，但有如此多的组件，可能没有一个单一的适合来恰当地描述这个信封。当氮浓度和化学状态对材料的性能至关重要时，这是一个复杂的问题。

与光电发射过程相反，可以理解的是，俄歇电子的动能是由俄歇过程中涉及的跃迁的能级定义的，与所使用的激发源的能量无关。

图2。Ag Lα激发的GaAs光谱_{1 - x}N_x和(插入)N 1s区高分辨率扫描。图片来源:Kratos分析公司

图2显示了同一砷化镓的测量光谱_{1 - x}N_x样品激发利用单色Ag Lα激励源。

很明显，Ga LMM俄歇跃迁利用Ag Lα激发使它们向更高的结合能转移，使它们不再与N 1s光电发射峰重叠，如图2中插入的高分辨率N 1s核能级峰所示。

Ag Lα激发的N 1s区域提供了一个更为直接的光谱，有一个以397.6 eV为中心的单一对称峰。这可以在类似氮化的化学环境中识别氮。

消除俄歇转换使测量谱的量化更容易。各元素的相对元素浓度如表1所示。

表1。薄膜砷化镓的相对原子浓度_{1 - x}N_x在GaAs衬底上的Ag Lα激发光谱。资料来源:Kratos Analytical, Ltd。

对不同x射线源激发的核能级的光电发射峰的相对强度和采样深度的变化进行进一步的评论是很有趣的_{1 - x}N_x薄膜。

核能级谱的光电离截面随激发能的增加而减小。^2，3这可以在图4中看到，由C 1s光电离截面与Al Kα激发的关系图，作为激发能的函数。

图3。Al K叠加α和Ag) Lα结合和动能尺度的激发光谱。两个测量谱归一化到Ga 2p_3／2峰高。图片来源:Kratos分析公司

它也可以在图3所示的叠加调查光谱中定性地观察到。

当对比光谱低结合能端光电发射峰与各光谱Ga 2p峰的相对强度时，可以清楚地看到Ag L中的峰α与标准Al K激发谱相比，激发谱的强度减小α源。

图4。计算出的C 1s光电离截面，绘制为X射线激发能量的函数，并指出了商用HAXPES源。图片来源：奎托斯分析有限公司。

如图4所示，对于更硬、能量更大的X射线源，光电离截面的减少会更严重，这证明了Ag Lα源对本研究的好处。

对比两种x射线源激发的高分辨率N 1s区域，可以清楚地看到，Ag Lα光电离截面的减小并不会显著影响光谱质量。

光谱仪设计的光电子的有效收集和传输，减轻了产生较少光电子的物理效应。Ag) Lα激发的高分辨率光谱仍然可以在合理的采集时间内获得，特别是考虑到该样品在薄膜砷化镓中氮掺杂浓度相对较低时_{1 - x}N_x．

图5。用更高的光子能量Ag Lα x射线激发相同核能级的更大采样深度示意图。图片来源:Kratos分析公司

采用高能光子源的一个主要好处是由于激发光电子的高动能的有效衰减长度的变化而增加了采样深度。如图5所示。

与Al x射线相比，Ag x射线激发的核心级光电子具有更大的动能，产生更大的信息深度。

定性和定量化学状态信息可以作为深度的函数没有angle-resolved XPS的必要性或破坏性的溅射深度剖析由于Ga和2 s光电子将展示表面敏感性大于3 d光电子动能就越高。

最后对定量的评论表明，光离截面和采样深度都是产生定量结果的关键考虑因素，该样品作为深度的函数是不均匀的。

为了对材料进行真实的量化，选择用于量化的光电发射峰具有相似的动能，因此，信息深度尽可能的重要。

结论

采用Ag Lα激发源进行收集x射线光电子光谱从薄膜砷化镓_{1 - x}N_x生长在GaAs衬底上。

利用更高的光子能量源有相当大的优势，即Ga LMM俄杰跃迁与n1s光电发射峰重叠-当使用标准Al Kα激发-转移到更高的结合能。

这使得一个明确的曲线拟合的单一N 1s组分和分类的氮化化学状态。

工具书类

1. A. Mascarenhas, Yong Zhang，“GaAs和GaP的电子结构”，SPIE 10303，氮化镓基技术的评论，103030D(2002年8月28日);https://doi.org/10.1117/12.482617
2. Curran Kalha等人2021年J. Phys。:提供者。Matter in press DOI: 10.1088/1361-648X/ abacd
3. A. G. Shard等，Surf。接口肛门。， 2019, 51,763 -773 DOI: 10.1002/sia.6647

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