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XRD應用分享 | 單晶外延薄膜高分辨XRD表征

瀏覽次數:522發(fā)布日期:2024-01-10

高分辨率 X 射線(xiàn)衍射 (HRXRD) 是一種強大的無(wú)損檢測方法,其研究對象主要是單晶材料、單晶外延薄膜材料以及各種低維半導體異質(zhì)結構。普遍用于單晶質(zhì)量、外延薄膜的厚度、組分、晶胞參數、缺陷、失配、弛豫、應力等結構參數的測試。現代HRXRD與常規XRD的區別主要體現在:(1)高度平行且高度單色的高質(zhì)量X射線(xiàn);(2)不僅要測試倒易格點(diǎn)的位置(角度),還要測試倒易格點(diǎn)的形狀(缺陷);(3)更高的理論要求-動(dòng)力學(xué)理論。GaN做第三代半導體,目前用于電力電子、高頻器件和發(fā)光二極管 (LED) 技術(shù)等眾多應用中。本報告介紹了HRXRD在GaN LED樣品中的應用。樣品由 6 層InGaN/GaN 量子阱 (QW) 組成,虛擬 GaN 襯底上生長(cháng)在 2 英寸藍寶石晶片上。文中樣品測試是在德國布魯克D8 ADVANCE X射線(xiàn)衍射儀上完成的,該儀器配置了HRXRD模塊。

2theta/omega掃描

2theta/omega掃描用于探測平行于表面的原子層的相干散射,可用于確定In的組分,面外晶胞參數、厚度等參數。

測試采用Ge(004)單色器,林克斯探測器0D模式。圖 1 顯示了 GaN (0002) 晶面的 2theta/omega 掃描圖譜,可見(jiàn)明顯的超晶格蕩峰以及超晶格峰之間的薄膜干涉條紋。

圖 1 GaN (0002) 晶面的 2theta/omega掃描圖譜。

倒空間強度分布(RSM)

RSM是直觀(guān)的分析薄膜與襯底失配關(guān)系以及薄膜缺陷的方法。傳統的HRXRD上收集一張RSM需要幾個(gè)甚至幾十個(gè)小時(shí)。現實(shí)中往往由于機時(shí)的限制,很難得到RSM。現代HRXRD利用1D探測器可以極大提高了測試速度,快采集一張RSM只需要幾十秒。圖2中,展示了GaN (11-24)晶面的RSM,測試時(shí)間為30min。 

圖2 GaN(11-24) 晶面的倒空間強度分布圖(RSM)

圖2中,RSM 中所有倒格點(diǎn)在面內((110)方向)方向在同一位置,表明量子阱多層膜InGaN是在 GaN 襯底上共格晶生長(cháng)的。 這與GaN (0002) 晶面高質(zhì)量2theta/omega掃描一致。同時(shí),RSM中GaN倒格點(diǎn)形沿著(zhù)面內展寬,說(shuō)明界面處缺陷較多。而每個(gè)超晶格倒格點(diǎn)無(wú)明顯展寬,說(shuō)明超晶格之間缺陷較少。 

2theta/omega 圖譜擬合結果 

圖3 GaN (0002) 2theta/omega掃描擬合圖譜。藍色:擬合值;黑色:測試值。

圖3中是 基于表1中的結構模型,對2theta/omega掃面進(jìn)行全譜擬合的結果。可見(jiàn)擬合圖譜與測試數據吻合非常好。超晶格峰與擬合值之間的微小偏差可能是由采用的擬合模型未考慮In組分的變化。InGaN 層中的超晶格厚度和In含量都可以非常精確地確定。In的含量是生長(cháng)過(guò)程中的一個(gè)重要參數。 因此,HRXRD 是監控沉積過(guò)程的有力工具。

表1 GaN (0002) 2theta/omega掃描擬合模型及結果

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