稀有金属 2012,36(03),450-454
高能电子辐照诱导GaN异质结应变弛豫机制的研究
付雪涛 马通达 王书明 张崇宏 张丽卿 王新强
北京有色金属研究总院国家有色金属及电子材料分析测试中心
中国科学院近代物理研究所
北京大学物理学院
摘 要：
利用能量为2 MeV的高能电子束对金属有机物化学气相沉积方法(MOCVD)生长的非故意掺杂氮化镓(GaN)异质结在室温下进行辐照,辐照剂量分别为1×1015/cm2和5×1015/cm2。经垂直于样品表面的电子辐照后,GaN外延层的(0004)和(10ī2)高分辨X射线衍射峰分别向高角和低角发生移动,表明电子辐照使GaN外延层发生了部分应变弛豫。利用电子背散射衍射(EBSD)对应变弛豫进行了表征。EBSD结果显示,剂量为5×1015/cm2的电子辐照相对于1×1015/cm2的电子辐照可诱导GaN外延层发生更为显著的应变弛豫。卢瑟福背散射/沟道(RBS/C)实验结果表明,5×1015/cm2的电子辐照对GaN外延层引入更为严重的辐照损伤。上述实验结果表明,GaN外延层的应变弛豫与2 MeV的电子辐照引入的缺陷如弗伦克尔对有关。运用弹性原子链模型(EACM)对电子辐照诱导GaN外延层应变弛豫机制进行了讨论。
关键词：
氮化镓异质结 ;应变弛豫 ;电子辐照 ;弹性原子链模型 ;
中图分类号： TN303
作者简介： 付雪涛(1985-),男,北京房山人,硕士研究生;研究方向:材料微结构表征; 马通达(E-mail:matongda@126.com);
收稿日期： 2011-09-27
基金： 国家自然科学基金项目(50872013,10575124,10979063)资助;
Strain Relaxation of GaN Heterostructure Induced by High-Energy Electron Irradiation
Abstract：
The unintentional doped GaN epitaxial layers grown by metal organic chemical vapor deposition(MOCVD) were irradiated by 2 MeV electron beam perpendicular to the surfaces with the doses of 1×1015/cm2 and 5×1015/cm2 at room temperature.The high resolution X-ray diffraction(HRXRD) data presented that the(0004) and(10 12) diffraction peaks shifted to high-angle and low-angle side respectively.It was indicated that the high energy electron irradiation could induce the strain of GaN epitaxial layers relaxed partially.In addition,the electron back scattering diffraction(EBSD) was employed to characterize the strain relaxation.The visible strain relaxation was recognized in the GaN epitaxial layer by the 5×1015/cm2 electron irradiation other than the 1×1015/cm2 electron irradiation.Rutherford backscattering spectroscopy in channeling geometry(RBS/C) proved that the 5×1015/cm2 electron irradiation resulted in more serious radiation damage in the GaN epitaxial layer.The results from EBSD and RBS/C suggested that strain relaxation of the GaN epitaxial layer was related with the introduction of irradiation defects such as Frenkel pairs by 2 MeV electron irradiation.The strain relaxation mechanism was proposed on the basis of the elastic atom-chain model(EACM).
Keyword：
GaN heterostructure;strain relaxation;electron irradiation;elastic atom-chain model;
Received： 2011-09-27
GaN异质结在发光二极管、 高温、 高频、 大功率晶体管等方面有着广泛的应用前景。 在军事、 空间技术等领域, GaN异质结也可用于制造高性能紫外光探测器。 当GaN异质结器件在外太空工作时, 由于受到电子等高能粒子的辐射, 可能在GaN异质结中引入辐照损伤, 进而影响器件的使用性能。 因而, 对GaN异质结的电子辐照行为值得深入研究。 目前, 关于电子辐照对GaN影响的研究主要集中在对GaN电特性
[1 ,2 ]
和发光特性的影响上
[3 ,4 ,5 ,6 ]
。 针对高能电子辐照对GaN材料结构的影响鲜有报道。 高质量的GaN单晶薄膜可以通过分子束外延(MBE)、 激光脉冲沉积(PLD)、 金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等方法在蓝宝石 (Al2 O3 ), SiC等衬底上外延生长得到
[7 ,8 ,9 ]
。 金属有机物化学气相沉积方法由于其工艺设备相对简单、 造价低、 外延生长速度适中、 可以比较精确地控制膜厚, 目前已经成为使用最多、 生长材料和器件质量较高的方法。 本文采用能量为2 MeV、 剂量分别为1×1015 /cm2 和5×1015 /cm2 的电子束辐照MOCVD法生长的GaN/Al2 O3 异质结, 探究高能电子辐照对GaN外延层结构的影响。
1 实 验
本实验样品以蓝宝石(Al2 O3 )为衬底, 分别用高纯 (CH3 )3 Ga(TMGa)和NH3 作为Ga源和N源, 采用金属有机物化学气相沉积方法 (MOCVD) 沿衬底<0001>方向进行外延生长。 首先, 在550 ℃下生长一层名义厚度为25 nm左右的GaN缓冲层, 以减小衬底与后续生长GaN外延层之间的晶格失配。 然后, 在此缓冲层上在 1030 ℃下继续生长厚度为3 μm的氮化镓外延层。 将生长好的原生态样品分为3块, 分别标记为A, B和C。
利用高能电子加速器将电子束能量升至 2 MeV, 在室温下对样品B, C进行垂直于外延层表面的电子辐照, 辐照剂量分别为1×1015 /cm2 和5×1015 /cm2 。 A样品作为参考样品, 未进行辐照。 采用 Philips X′ Pert高分辨X射线衍射仪对A, B和C样品的(0004)晶面、
( 1 0 ˉ 1 2 )
( 1 0 1 ? 2 )
晶面进行2θ - ω 扫描。 衍射仪使用Cu Kα 辐射 (40 kV, 40 mA), 波长为0.154056 nm。 在2θ - ω 扫描时, 采用三轴晶衍射模式(入射光路中增加Ge(220)四晶单色器, 衍射光路中增加分析晶体)以得到0.0001° 的角度分辨率, 扫描步长为0.0008 °, 每步采集时间为0.5 s。 RBS/C实验在北京大学物理学院 2×1.7 MeV静电加速器背散射/沟道束流线上进行, 入射离子为He+ , 能量为2 MeV, 探测器为Au- Si面垒半导体探测器, 分辨率为15 keV, 探测散射角为165 °。 样品被固定在真空靶室(真空度为3×10-4 Pa)中的三轴定角器上, 可以进行三维任意旋转和平移, 精确度为0.01 °。 EBSD测试在JSM- 7001F热场发射扫描电镜中进行。 SEM加速电压15 kV, 入射束流84.4 μA。 EBSD系统采用Hikari相机收集EBSD花样, 数据采集的步长为1 μm, 采集区域大小为400 μm×200 μm, 图像分辨率为800×600像素。 EBSD收集GaN外延层菊池花样的采集时间为20 min。 局域应力或应变对应晶格的畸变, 可以通过图像质量(IQ)和Hough峰的统计值的变化加以评价
[10 ]
。 IQ值由菊池图的衬度得到。 Hough变换是一种数学变换, 用于自动寻找和快速标定各扫描点的菊池衍射花样。
2 结 果
图1为未经高能电子辐照的A样品与经高能电子辐照后的B, C样品GaN外延层(0004)和(1012)晶面2θ - ω 扫描结果。 采用高斯函数对衍射峰进行拟合, 重力法确定峰位。 可以看出, 经高能电子辐照后GaN外延层的(0004)和
( 1 0 ˉ 1 2 )
( 1 0 1 ? 2 )
衍射峰分别向峰位角增加和减小的方向发生移动。
图1 A, B, C样品的2θ- ω 扫描
Fig.1 2θ - ω scans of Samples A, B and C
(a)(0004)diffraction peaks;(b)(
)diffraction peaks
根据布拉格衍射公式:
2d (1012) sinθ (1012) =λ (1)
2d (0004) sinθ (0004) =λ (2)
以及
d (0001) =4×d (0004) (3)
得出A, B, C样品的
( 1 0 ˉ 1 2 )
( 1 0 1 ? 2 )
晶面间距及(0001)晶面间距, 再根据:
1 3 a 2 + 1 d 2 ( 0 0 0 1 ) = 1 4 d 2 ( 1 0 ˉ 1 2 ) ? ? ? ( 4 )
1 3 a 2 + 1 d 2 ( 0 0 0 1 ) = 1 4 d 2 ( 1 0 1 ? 2 ) ? ? ? ( 4 )
求得A, B, C样品的
( 1 0 ˉ 1 0 )
( 1 0 1 ? 0 )
晶面间距, 数据见表1。
电子辐照对GaN外延层造成的损伤程度可体现在RBS/C所测量的品质因子χ min 上。 品质因子χ min 定义为样品近表面小区间内, <0001> 沟道谱产额与随机谱产额之比。 χ min 值越大, 说明晶体结晶程度越低。 已证实1 MeV电子辐照可以在GaN外延层中引入氮(N)弗伦克尔对
[11 ]
, 2 MeV电子辐照可以在GaN外延层中引入镓(Ga)弗伦克尔对
[12 ,13 ]
。 本次实验所采用的2 MeV电子辐照可以在GaN外延层中引入Ga, N空位与间隙原子, 进而造成χ min 值的增加。 χ min 值的增加则间接证明了弗伦克尔对数量的增加。 EBSD所测量的IQ值大小主要与样品的晶体学取向、 晶粒尺寸, 以及样品的表面状态相关。 在单晶系统中, IQ值主要受到材料表面应力, 应变的影响。 晶格应变越小, IQ值越高。 不同剂量的电子辐照对GaN的χ min 值和IQ值的影响见表2。
表1(0004),(
)晶面的2θ-ω扫描结果Table 1 Results from 2θ-ωscans for(0004)and(
)lattice planes
下载原图
Table 1 Results from 2 θ - ω scans for
( 0 0 0 4 ) a n d ( 1 0 ˉ 1 2 )
( 0 0 0 4 ) a n d ( 1 0 1 ? 2 )
lattice planes
表1(0004),(
)晶面的2θ-ω扫描结果Table 1 Results from 2θ-ωscans for(0004)and(
)lattice planes
表2RBS/C测量的χmin值以及EBSD测量的IQ值
Table 2 χ min values from RBS/C measurements and IQ values from EBSD measurements
Samples
Dose/cm2
χ min /%Image Quality (IQ)
0
1.71
839.04
1×1015
2.07
839.24
5×1015
6.05
894.69
3 讨 论
异质外延生长的GaN薄膜与蓝宝石(Al2 O3 )衬底存在着晶格失配与热失配, 会受到来自衬底的压应力使外延层的晶格常数与无应力状态下的晶格常数存在偏差
[14 ]
。 无应力状态GaN外延层的
( 1 0 ˉ 1 0 ) , ( 0 0 0 1 )
( 1 0 1 ? 0 ) , ( 0 0 0 1 )
晶面间距分别为0.31884, 0.51850 nm 左右
[15 ]
。 样品为纤锌矿结构, 当其六方晶胞的a , b 轴受压应力时则导致
( 1 0 ˉ 1 0 ) , ( 1 0 ˉ 1 0 )
( 1 0 1 ? 0 ) , ( 1 0 1 ? 0 )
晶面间距减小, (0001) 晶面间距增加。 由表1可以看出, 原生态A样品的
( 1 0 ˉ 1 0 )
( 1 0 1 ? 0 )
晶面间距小于无应力状态的0.31884 nm, (0001)晶面间距大于无应力状态的0.51850 nm。 表明GaN六方晶胞的
( 1 0 ˉ 1 0 ) , ( 1 0 ˉ 1 0 )
( 1 0 1 ? 0 ) , ( 1 0 1 ? 0 )
晶面受衬底的压应力, (0001)晶面间距因
( 1 0 ˉ 1 0 ) , ( 1 0 ˉ 1 0 )
( 1 0 1 ? 0 ) , ( 1 0 1 ? 0 )
晶面受压而相应增加。
从表2可以发现, 样品B的χ min 值和IQ值相对于原生态A样品无明显变化, 说明1×1015 /cm2 的电子辐照在GaN外延层中未引入足够数量的弗伦克尔对以及明显的应力释放。 而C样品则与之相反。 B, C样品相对于A样品的χ min 值变化幅度与IQ值变化幅度有很好的相关性。 说明GaN外延层的晶格应力释放应该与电子辐照引入的弗伦克尔对相关。
对于在蓝宝石 <0001> 方向上生长的GaN薄膜, 当a , b 轴方向的压应力得到释放后, 六方晶胞的
( 1 0 ˉ 1 0 ) , ( 1 0 ˉ 1 0 )
( 1 0 1 ? 0 ) , ( 1 0 1 ? 0 )
晶面间距会增加, (0001)晶面间距会相应减小。 表1结果显示, C样品的
( 1 0 ˉ 1 0 )
( 1 0 1 ? 0 )
晶面间距相对于原生态样品的
( 1 0 ˉ 1 0 )
( 1 0 1 ? 0 )
晶面间距增加, (0001)晶面间距相对减小, 说明氮化镓外延层经剂量为5×1015 /cm2 的电子辐照后失配应变得到部分弛豫。 B样品的
( 1 0 ˉ 1 0 )
( 1 0 1 ? 0 )
晶面间距相对于原生态样品增加, 而(0001)晶面间距显示未发生相对改变。
对于GaN外延层经电子辐照后应变弛豫的原因, 提出如下模型加以解释: 如果将晶体内部的晶格原子排列看作沿特定晶向等间距分布的弹性原子链, 那么原子链上一旦发生原子缺失, 链上的原子占位会重新分布, 原子间距将增大, 如图2所示。 当晶体受到电子辐照产生弗伦克尔对时, 新产生的间隙原子极有可能移出晶体内部, 留下过饱和空位, 此过程等效于众多原子链发生原子缺失形成大量空位。 在原子相互作用下, 每个空位两边的晶格原子将向空位弛豫, 致使原子链上的原子间距大于弛豫之前的间距。 具体地讲, 电子辐照可能在GaN外延层中引入了大量的弗伦克尔对, 当新产生的间隙原子大量移出晶体后, GaN外延层内部将出现过饱和的空位, 导致沿
< 1 0 ˉ 1 0 > , < 1 0 ˉ 1 0 >
< 1 0 1 ? 0 > , < 1 0 1 ? 0 >
晶向排列的原子链原子间距变大, 表现为GaN外延层沿
< 1 0 ˉ 1 0 > , < 1 0 ˉ 1 0 >
< 1 0 1 ? 0 > , < 1 0 1 ? 0 >
方向发生应变弛豫, 而沿<0001>方向的应变则因
< 1 0 ˉ 1 0 > , < 1 0 ˉ 1 0 >
< 1 0 1 ? 0 > , < 1 0 1 ? 0 >
方向的应变弛豫而发生相应弛豫。
图2<
>原子链缺失原子后晶格弛豫Fig.2 Lattice relaxation of<
>atom-chain
下载原图
若辐照后晶胞体积(V =3a 2 c cos30°=0.1362 nm3 )的变化可以忽略不计, C样品相应的 (0001)晶面间距c ′应该为0.5186 nm, 如图3所示。 因空位出现在沿
< 1 0 ˉ 1 0 > , < 1 0 ˉ 1 0 >
< 1 0 1 ? 0 > , < 1 0 1 ? 0 >
排列的原子链的同时也必然出现在沿<0001>排列的原子链上, 最终导致
< 1 0 ˉ 1 0 > , < 1 0 ˉ 1 0 > , < 0 0 0 1 >
< 1 0 1 ? 0 > , < 1 0 1 ? 0 > , < 0 0 0 1 >
方向上原子间距的增大。 相反, 外延层沿<0001>方向排列的原子间距则因外延层
< 1 0 ˉ 1 0 > , < 1 0 ˉ 1 0 >
< 1 0 1 ? 0 > , < 1 0 1 ? 0 >
方向上压应变的弛豫而变小。 在上述综合作用下, (0001)晶面间距不会因电子辐照损伤缩小至c ′(0.5186 nm)。 实验结果表明, 辐照后样品C的(0001)晶面间距的实际测量长度为0.5188 nm, 大于c′。 同样, 由于
< 1 0 ˉ 1 0 > , < 1 0 ˉ 1 0 >
< 1 0 1 ? 0 > , < 1 0 1 ? 0 >
原子链的应变弛豫以及<0001>原子链缺失原子的双重作用导致样品B的(0001)晶面间距未发生变化, 仅表现为
( 1 0 ˉ 1 0 ) , ( 1 0 ˉ 1 0 )
( 1 0 1 ? 0 ) , ( 1 0 1 ? 0 )
晶面间距的增加。
图3 不同的弛豫机制引起的晶胞形状变化
Fig.3 Schematic diagram of unit cell corresponding to different relaxation mechanism
(a) Strained cell with a and b axes compressed; (b) Relaxation of c axis with the strains of a and b axes relaxed;(c) Strain relaxation of a, b and c axis with the cell irradiated by electron beam
4 结 论
HRXRD和EBSD实验证实, 能量为2 MeV的电子辐照可以诱导蓝宝石衬底上的GaN外延层发生部分应变弛豫, 该应变弛豫在较高辐照剂量5×1015 /cm2 的电子辐照下更加显著。 卢瑟福背散射/沟道(RBS/C)结果显示, 相对于1×1015 /cm2 的电子辐照, 5×1015 /cm2 的电子辐照在GaN外延层中引入了较明显的辐照损伤。 结合弹性原子链模型(EACM)的分析, 认为GaN外延层的应变弛豫与电子辐照引入的辐照损伤直接相关。
致谢:感谢北京大学马宏骥老师为本实验提供卢瑟福背散射/沟道实验。
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