電子輻照誘導(dǎo)GaN應(yīng)變弛豫機(jī)制

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GaN異質(zhì)結(jié)在發(fā)光二極管、高溫、高頻、大功率晶體管等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。在軍事、空間技術(shù)等領(lǐng)域，GaN異質(zhì)結(jié)也可用于制造高性能紫外光探測(cè)器。當(dāng)GaN異質(zhì)結(jié)器件在外太空工作時(shí)，由于受到電子等高能粒子的輻射，可能在GaN異質(zhì)結(jié)中引入輻照損傷，進(jìn)而影響器件的使用性能。因而，對(duì)GaN異質(zhì)結(jié)的電子輻照行為值得深入研究。目前，關(guān)于電子輻照對(duì)GaN影響的研究主要集中在對(duì)GaN電特性［1－2］和發(fā)光特性的影響上［3－6］。針對(duì)高能電子輻照對(duì)GaN材料結(jié)構(gòu)的影響鮮有報(bào)道。高質(zhì)量的GaN單晶薄膜可以通過(guò)分子束外延(MBE)、激光脈沖沉積(PLD)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等方法在藍(lán)寶石(Al2O3)，SiC等襯底上外延生長(zhǎng)得到［7－9］。金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法由于其工藝設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、外延生長(zhǎng)速度適中、可以比較精確地控制膜厚，目前已經(jīng)成為使用最多、生長(zhǎng)材料和器件質(zhì)量較高的方法。本文采用能量為2MeV、劑量分別為1×1015/cm2和5×1015/cm2的電子束輻照MOCVD法生長(zhǎng)的GaN/Al2O3異質(zhì)結(jié)，探究高能電子輻照對(duì)GaN外延層結(jié)構(gòu)的影響。

1實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)樣品以藍(lán)寶石(Al2O3)為襯底，分別用高純(CH3)3Ga(TMGa)和NH3作為Ga源和N源，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法(MOCVD)沿襯底＜0001＞方向進(jìn)行外延生長(zhǎng)。首先，在550℃下生長(zhǎng)一層名義厚度為25nm左右的GaN緩沖層，以減小襯底與后續(xù)生長(zhǎng)GaN外延層之間的晶格失配。然后，在此緩沖層上在1030℃下繼續(xù)生長(zhǎng)厚度為3μm的氮化鎵外延層。將生長(zhǎng)好的原生態(tài)樣品分為3塊，分別標(biāo)記為A，B和C。利用高能電子加速器將電子束能量升至2MeV，在室溫下對(duì)樣品B，C進(jìn)行垂直于外延層表面的電子輻照，輻照劑量分別為1×1015/cm2和5×1015/cm2。A樣品作為參考樣品，未進(jìn)行輻照。采用PhilipsX''''Pert高分辨X射線衍射儀對(duì)A，B和C樣品的(0004)晶面、(1012)晶面進(jìn)行2θ-ω掃描。衍射儀使用CuKα輻射(40kV，40mA)，波長(zhǎng)為0.154056nm。在2θ-ω掃描時(shí)，采用三軸晶衍射模式(入射光路中增加Ge(220)四晶單色器，衍射光路中增加分析晶體)以得到0．0001°的角度分辨率，掃描步長(zhǎng)為0．0008°，每步采集時(shí)間為0.5s。RBS/C實(shí)驗(yàn)在北京大學(xué)物理學(xué)院2×1．7MeV靜電加速器背散射/溝道束流線上進(jìn)行，入射離子為He+，能量為2MeV，探測(cè)器為Au-Si面壘半導(dǎo)體探測(cè)器，分辨率為15keV，探測(cè)散射角為165°。樣品被固定在真空靶室(真空度為3×10－4Pa)中的三軸定角器上，可以進(jìn)行三維任意旋轉(zhuǎn)和平移，精確度為0．01°。EBSD測(cè)試在JSM-7001F熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡中進(jìn)行。SEM加速電壓15kV，入射束流84．4μA。EBSD系統(tǒng)采用Hikari相機(jī)收集EBSD花樣，數(shù)據(jù)采集的步長(zhǎng)為1μm，采集區(qū)域大小為400μm×200μm，圖像分辨率為800×600像素。EBSD收集GaN外延層菊池花樣的采集時(shí)間為20min。局域應(yīng)力或應(yīng)變對(duì)應(yīng)晶格的畸變，可以通過(guò)圖像質(zhì)量(IQ)和Hough峰的統(tǒng)計(jì)值的變化加以評(píng)價(jià)［10］。IQ值由菊池圖的襯度得到。Hough變換是一種數(shù)學(xué)變換，用于自動(dòng)尋找和快速標(biāo)定各掃描點(diǎn)的菊池衍射花樣。

2結(jié)果

圖1為未經(jīng)高能電子輻照的A樣品與經(jīng)高能電子輻照后的B，C樣品GaN外延層(0004)和(1012)晶面2θ-ω掃描結(jié)果。采用高斯函數(shù)對(duì)衍射峰進(jìn)行擬合，重力法確定峰位。可以看出，經(jīng)高能電子輻照后GaN外延層的(0004)和(1012)衍射峰分別向峰位角增加和減小的方向發(fā)生移動(dòng)。根據(jù)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樣品的(1012)晶面間距及(0001)晶面間距，再根據(jù):13a2+1d2(0001)=14d2(1012)(4)求得A，B，C樣品的(1010)晶面間距，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。電子輻照對(duì)GaN外延層造成的損傷程度可體現(xiàn)在RBS/C所測(cè)量的品質(zhì)因子χmin上。品質(zhì)因子χmin定義為樣品近表面小區(qū)間內(nèi)，＜0001＞溝道譜產(chǎn)額與隨機(jī)譜產(chǎn)額之比。χmin值越大，說(shuō)明晶體結(jié)晶程度越低。已證實(shí)1MeV電子輻照可以在GaN外延層中引入氮(N)弗倫克爾對(duì)［11］，2MeV電子輻照可以在GaN外延層中引入鎵(Ga)弗倫克爾對(duì)［12－13］。本次實(shí)驗(yàn)所采用的2MeV電子輻照可以在GaN外延層中引入Ga，N空位與間隙原子，進(jìn)而造成χmin值的增加。χmin值的增加則間接證明了弗倫克爾對(duì)數(shù)量的增加。EBSD所測(cè)量的IQ值大小主要與樣品的晶體學(xué)取向、晶粒尺寸，以及樣品的表面狀態(tài)相關(guān)。在單晶系統(tǒng)中，IQ值主要受到材料表面應(yīng)力，應(yīng)變的影響。晶格應(yīng)變?cè)叫。琁Q值越高。不同劑量的電子輻照對(duì)GaN的χmin值和IQ值的影響見(jiàn)表2。

3討論

異質(zhì)外延生長(zhǎng)的GaN薄膜與藍(lán)寶石(Al2O3)襯底存在著晶格失配與熱失配，會(huì)受到來(lái)自襯底的壓應(yīng)力使外延層的晶格常數(shù)與無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的晶格常數(shù)存在偏差［14］。無(wú)應(yīng)力狀態(tài)GaN外延層的(1010)，(0001)晶面間距分別為0．31884，0.51850nm左右［15］。樣品為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，當(dāng)其六方晶胞的a，b軸受壓應(yīng)力時(shí)則導(dǎo)致(1010)，(1010)晶面間距減小，(0001)晶面間距增加。由表1可以看出，原生態(tài)A樣品的(1010)晶面間距小于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的0．31884nm，(0001)晶面間距大于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的0．51850nm。表明GaN六方晶胞的(1010)，(1010)晶面受襯底的壓應(yīng)力，(0001)晶面間距因(1010)，(1010)晶面受壓而相應(yīng)增加。從表2可以發(fā)現(xiàn)，樣品B的χmin值和IQ值相對(duì)于原生態(tài)A樣品無(wú)明顯變化，說(shuō)明1×1015/cm2的電子輻照在GaN外延層中未引入足夠數(shù)量的弗倫克爾對(duì)以及明顯的應(yīng)力釋放。而C樣品則與之相反。B，C樣品相對(duì)于A樣品的χmin值變化幅度與IQ值變化幅度有很好的相關(guān)性。說(shuō)明GaN外延層的晶格應(yīng)力釋放應(yīng)該與電子輻照引入的弗倫克爾對(duì)相關(guān)。對(duì)于在藍(lán)寶石＜0001＞方向上生長(zhǎng)的GaN薄膜，當(dāng)a，b軸方向的壓應(yīng)力得到釋放后，六方晶胞的(1010)，(1010)晶面間距會(huì)增加，(0001)晶面間距會(huì)相應(yīng)減小。表1結(jié)果顯示，C樣品的(1010)晶面間距相對(duì)于原生態(tài)樣品的(1010)晶面間距增加，(0001)晶面間距相對(duì)減小，說(shuō)明氮化鎵外延層經(jīng)劑量為5×1015/cm2的電子輻照后失配應(yīng)變得到部分弛豫。B樣品的(1010)晶面間距相對(duì)于原生態(tài)樣品增加，而(0001)晶面間距顯示未發(fā)生相對(duì)改變。對(duì)于GaN外延層經(jīng)電子輻照后應(yīng)變弛豫的原因，提出如下模型加以解釋:如果將晶體內(nèi)部的晶格原子排列看作沿特定晶向等間距分布的彈性原子鏈，那么原子鏈上一旦發(fā)生原子缺失，鏈上的原子占位會(huì)重新分布，原子間距將增大，如圖2所示。當(dāng)晶體受到電子輻照產(chǎn)生弗倫克爾對(duì)時(shí)，新產(chǎn)生的間隙原子極有可能移出晶體內(nèi)部，留下過(guò)飽和空位，此過(guò)程等效于眾多原子鏈發(fā)生原子缺失形成大量空位。在原子相互作用下，每個(gè)空位兩邊的晶格原子將向空位弛豫，致使原子鏈上的原子間距大于弛豫之前的間距。具體地講，電子輻照可能在GaN外延層中引入了大量的弗倫克爾對(duì)，當(dāng)新產(chǎn)生的間隙原子大量移出晶體后，GaN外延層內(nèi)部將出現(xiàn)過(guò)飽和的空位，導(dǎo)致沿＜1010＞，＜1010＞晶向排列的原子鏈原子間距變大，表現(xiàn)為GaN外延層沿＜1010＞，＜1010＞方向發(fā)生應(yīng)變弛豫，而沿＜0001＞方向的應(yīng)變則因＜1010＞，＜1010＞方向的應(yīng)變弛豫而發(fā)生相應(yīng)弛豫。若輻照后晶胞體積(V=3a2ccos30°=0．1362nm3)的變化可以忽略不計(jì)，C樣品相應(yīng)的(0001)晶面間距c''''應(yīng)該為0．5186nm，如圖3所示。因空位出現(xiàn)在沿＜1010＞，＜1010＞排列的原子鏈的同時(shí)也必然出現(xiàn)在沿＜0001＞排列的原子鏈上，最終導(dǎo)致＜1010＞，＜1010＞，＜0001＞方向上原子間距的增大。相反，外延層沿＜0001＞方向排列的原子間距則因外延層＜1010＞，＜1010＞方向上壓應(yīng)變的弛豫而變小。在上述綜合作用下，(0001)晶面間距不會(huì)因電子輻照損傷縮小至c''''(0.5186nm)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輻照后樣品C的(0001)晶面間距的實(shí)際測(cè)量長(zhǎng)度為0．5188nm，大于c''''。同樣，由于＜1010＞，＜1010＞原子鏈的應(yīng)變弛豫以及＜0001＞原子鏈缺失原子的雙重作用導(dǎo)致樣品B的(0001)晶面間距未發(fā)生變化，僅表現(xiàn)為(1010)，(1010)晶面間距的增加。

4結(jié)論

HRXRD和EBSD實(shí)驗(yàn)證實(shí)，能量為2MeV的電子輻照可以誘導(dǎo)藍(lán)寶石襯底上的gan外延層發(fā)生部分應(yīng)變弛豫，該應(yīng)變弛豫在較高輻照劑量5×1015/cm2的電子輻照下更加顯著。盧瑟福背散射/溝道(RBS/C)結(jié)果顯示，相對(duì)于1×1015/cm2的電子輻照，5×1015/cm2的電子輻照在GaN外延層中引入了較明顯的輻照損傷。結(jié)合彈性原子鏈模型(EACM)的分析，認(rèn)為GaN外延層的應(yīng)變弛豫與電子輻照引入的輻照損傷直接相關(guān)。