吳亮亮 趙德剛 李亮 樂伶聰 陳平 劉宗順 江德生

(中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

(2012年11月16日收到;2012年12月19日收到修改稿)

1 引言

本文利用Williamson-Hall方法[8-10]測(cè)量AlN薄膜的面內(nèi)晶粒尺寸,利用X射線衍射儀(XRD)測(cè)試不同氮化時(shí)間、緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間、載氣流量生長(zhǎng)條件下AlN薄膜(0002),(0004),(0006)的ω掃描的半高寬,并分析這些生長(zhǎng)條件對(duì)AlN薄膜的面內(nèi)晶粒尺寸的影響.

2 測(cè)試所用材料的結(jié)構(gòu)及Williamson-Hall方法

圖1是測(cè)試所用的材料結(jié)構(gòu)示意圖.如圖1所示,我們測(cè)試所用的AlN薄膜是在C面藍(lán)寶石襯底上利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉淀設(shè)備(MOCVD)生長(zhǎng)的,Al源和N源分別由三甲基鋁(TMA)和NH3提供,載氣為H2,反應(yīng)室保持壓強(qiáng)為4000 Pa.先只通入NH3進(jìn)行氮化,NH3的流量為0.5 L/min,氮化溫度為1080°C;再生長(zhǎng)一層AlN緩沖層,NH3的流量為0.5 L/min,TMA的流量為120 mL/min;之后再生長(zhǎng)一層厚度約為0.7μm的AlN外延層,NH3的流量為5 L/min,TMA的流量為30 mL/min,生長(zhǎng)溫度為1080°C.

圖1 測(cè)試所用的材料結(jié)構(gòu)示意圖

Williamson-Hall方法測(cè)量面內(nèi)晶粒尺寸的基本原理[11]是：對(duì)于三軸衍射(000L)的ω掃描,衍射峰的半高寬β是由位錯(cuò)產(chǎn)生的傾轉(zhuǎn)角βt與面內(nèi)共格長(zhǎng)度 L//產(chǎn)生的加寬βL‖的和.β,βt和βL‖在倒易空間的qy軸上可分別表示為2βsinθ/λ,2βtsinθ/λ和1/L//,其中θ為(000L)面的布拉格角,λ為所用X光的波長(zhǎng),其值為1.5448?A,面內(nèi)共格長(zhǎng)度L//為兩個(gè)面內(nèi)位錯(cuò)間的距離,即認(rèn)為面內(nèi)晶粒尺寸是面內(nèi)位錯(cuò)的間距,所以面內(nèi)共格長(zhǎng)度也被稱為面內(nèi)晶粒尺寸,公式為

對(duì)于所有的AlN薄膜我們利用XRD三軸衍射測(cè)試其(0002),(0004)和(0006)的ω掃描,代入公式的β是用弧度表示的角度,λ為0.15448 nm.由于βsinθ/λ與sinθ/λ為線性關(guān)系,所以以sinθ/λ作為自變量,βsinθ/λ為應(yīng)變量,將(000L)的三個(gè)數(shù)值點(diǎn)代入坐標(biāo)系中,可以得到一條直線,設(shè)直線的截距為y0,斜率為K,則可得如下結(jié)果：

面內(nèi)共格長(zhǎng)度也即是面內(nèi)晶粒尺寸,是在假設(shè)薄膜由許多小的近柱體的小晶粒組成的條件下引入的.由(1)式可知,(000L)面ω掃描的半高寬有如下結(jié)果：

其中C為λ/(2sinθ).由此可知,面內(nèi)晶粒尺寸越小時(shí),衍射峰半高寬(FWHM)越大,位錯(cuò)密度越大,晶體質(zhì)量越差.

3 測(cè)試結(jié)果與討論

首先測(cè)試不同氮化時(shí)間條件下AlN薄膜的(000L)面ω掃描,材料的其他生長(zhǎng)條件相同.圖2為不同氮化時(shí)間的Williamson-Hall方法做圖.圖2中的直線為同一個(gè)樣品的三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合直線,每條擬合直線上的三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分別代表(0002),(0004),(0006)面ω掃描的數(shù)據(jù)(包含F(xiàn)WHM和Bragg衍射角θ).其中AlN薄膜的(0002),(0004),(0006)的Bragg衍射角θ分別取18.01°,38.19°,67.96°[11].將圖 2 中擬合所得直線的斜率和截距代入(2)式,可以得出面內(nèi)晶粒尺寸隨氮化時(shí)間變化的關(guān)系,如圖3所示.

世行項(xiàng)目的實(shí)施，改善了項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，調(diào)整了土地利用結(jié)構(gòu)，提高了土地生產(chǎn)率，減輕了自然災(zāi)害，促進(jìn)了致富奔小康、村容村貌改變和生態(tài)文明建設(shè)。機(jī)耕道達(dá)村組，人行便道連院戶，極大地方便農(nóng)民出行；自來水進(jìn)農(nóng)戶，解決了農(nóng)村飲水困難；通過沼氣建設(shè)，項(xiàng)目區(qū)農(nóng)民用上了清潔生活能源，替代煤炭、薪柴和秸稈，保護(hù)植被資源，同時(shí)，沼渣、沼液作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥還田，減少農(nóng)藥、化肥施用量，提高了農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

圖2 不同氮化時(shí)間的Williamson-Hall方法做圖

圖3 為面內(nèi)晶粒尺寸隨氮化時(shí)間變化的關(guān)系,由圖3可知,隨著氮化時(shí)間增加,面內(nèi)晶粒尺寸減小,氮化時(shí)間從0增加到260 s時(shí),面內(nèi)晶粒尺寸減小的幅度很大,即面內(nèi)晶粒尺寸從948 nm減少到464 nm.當(dāng)?shù)瘯r(shí)間從260 s增加到600 s時(shí),面內(nèi)晶粒尺寸減小的幅度較小,即面內(nèi)晶粒尺寸從464 nm減少到394 nm.表明氮化過程使得面內(nèi)晶粒尺寸減小,其原因可以解釋為氮化過程使得在藍(lán)寶石襯底表面形成很多的成核區(qū),接下來生長(zhǎng)的AlN緩沖層和AlN薄膜層就是在這些成核小島處不斷朝橫向和縱向生長(zhǎng),最后合并成平面.此時(shí)隨著氮化時(shí)間的增加,成核小島的密度也增加,而成核小島密度增加使得最終形成的晶粒密度增加,從而每個(gè)晶粒的大小變小,也即面內(nèi)晶粒尺寸變小[12].所以隨著氮化時(shí)間的增加,成核小島密度增加,面內(nèi)晶粒尺寸減小.

其次測(cè)試不同緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間條件下AlN薄膜的(000L)面ω掃描,所有樣品的氮化時(shí)間都為260 s,材料的其他生長(zhǎng)條件相同.將(0002),(0004),(0006)面ω掃描的數(shù)據(jù)代入Williamson-Hall做圖法中,可得出圖4為不同緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間的Williamson-Hall方法做圖.將圖4中擬合所得直線的斜率和截距代入(2)式,可以得出面內(nèi)晶粒尺寸隨氮化時(shí)間變化的關(guān)系,如圖5所示.

圖3 面內(nèi)晶粒尺寸隨氮化時(shí)間變化的關(guān)系

圖4 不同緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間的Williamson-Hall方法做圖

圖5 面內(nèi)晶粒尺寸隨緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間變化的關(guān)系

圖5 為面內(nèi)晶粒尺寸隨緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間變化的關(guān)系,由圖5可知,隨著緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間的增加,面內(nèi)晶粒尺寸基本成線性增加,緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間為100,160和420 s時(shí),面內(nèi)晶粒尺寸分別為389,464和689 nm.表明增加緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間可以增大面內(nèi)晶粒尺寸,其原因可以解釋為,AlN緩沖層的晶粒是在氮化形成的成核小島上生長(zhǎng)而成的,隨著AlN緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間的增加,成核島不斷長(zhǎng)大與合并,最終從三維島狀生長(zhǎng)過渡為二維平面生長(zhǎng),增加AlN緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間使得島的合并增加,最終形成的AlN薄膜晶粒尺寸變大,密度降低.所以隨著AlN緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間的增加,AlN薄膜晶粒尺寸變大,密度降低,最終AlN薄膜的面內(nèi)晶粒尺寸變大.

圖6 不同載氣流量的Williamson-Hall方法做圖

圖7 面內(nèi)晶粒尺寸隨載氣流量變化的關(guān)系

最后測(cè)試不同載氣流量條件下AlN薄膜的(000L)面ω掃描,所用載氣為氫氣(H2),改變的只是AlN薄膜層生長(zhǎng)時(shí)的載氣流量,氮化層和AlN緩沖層所用載氣都為10 L/min,此三個(gè)樣品都沒有AlN緩沖層,氮化時(shí)間為300 s,生長(zhǎng)材料的其他生長(zhǎng)條件相同.將(0002),(0004),(0006)面ω掃描的數(shù)據(jù)代入Williamson-Hall做圖法中,可得出圖6為不同載氣流量的Williamson-Hall方法做圖.將圖6中擬合所得直線的斜率和截距代入(2)式,可以得出面內(nèi)晶粒尺寸隨載氣流量變化的關(guān)系,如圖7所示.

圖7為面內(nèi)晶粒尺寸隨載氣流量變化的關(guān)系,由圖7可知,隨著載氣流量的增加,面內(nèi)晶粒尺寸大幅減小,AlN薄膜層載氣流量為6,10和14 L/min時(shí),面內(nèi)晶粒尺寸分別為5505,535和245 nm,表明減小載氣流量可以增大面內(nèi)晶粒尺寸.可能的解釋是載氣流量越大,越利于晶粒的縱向生長(zhǎng),從而不利于成核島的合并,AlN薄膜晶粒尺寸變小,密度變大,使得最終AlN薄膜的面內(nèi)晶粒尺寸減小.

4 結(jié)論

本文應(yīng)用Williamson-Hall方法測(cè)試并分析了不同氮化時(shí)間、AlN緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間、載氣流量生長(zhǎng)條件下AlN薄膜的面內(nèi)晶粒尺寸的變化.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著氮化時(shí)間的增加,成核小島密度增加,使得面內(nèi)晶粒尺寸減小;隨著AlN緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間的增加,AlN薄膜晶粒尺寸變大,密度降低,最終AlN薄膜的面內(nèi)晶粒尺寸變大;隨著載氣流量的增加,越有利于晶粒的縱向生長(zhǎng),使得面內(nèi)晶粒尺寸減小.要想獲得晶體質(zhì)量較好的AlN薄膜,可以在選擇較小的載氣流量和較小氮化時(shí)間前提下,優(yōu)化AlN緩沖層生長(zhǎng)條件,即增加緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間,甚至可以考慮兩步緩沖層生長(zhǎng),以增加AlN成核島的合并,增加AlN薄膜面內(nèi)晶粒尺寸.

感謝北京同步輻射裝置(BSRF)衍射站對(duì)AlN薄膜材料X射線衍射表征的支持和幫助.

[1]Kung P,McClintock R,Vizcaino JL P,Minder K,Bayram C,Razeghi M 2007 Quantum Sensing and Nanophotonic Devices III 6479 J4791

[2]McClintock R,Pau JL,Minder K,Bayram C,Kung P,Razeghi M 2007 Appl.Phys.Lett.90 141112

[3]Pau J L,McClintock R,Minder K,Bayram C,Kung P,Razeghi M,Munoz E,Silversmith D 2007 Appl.Phys.Lett.91 041104

[4]McClintock R,Pau JL,Bayram C,Fain B,Giedraitis P,Razeghi M 2009 Proc.SPIE 7222 72220U

[5]Razeghi M,Bayram C 2009 Proc.SPIE 7366 73661F

[6]Carrano JC,Lambert D JH,Eiting C J,Collins C J,Li T,Wang S,Yang B,Beck A L,Dupuis RD,Campbell JC 2000 Appl.Phys.Lett.76 924

[7]Zhang S,Zhao D G,Liu Z S,Zhu JJ,Zhang SM,Wang Y T,Duan L H,Liu W B,Jiang D S,Yang H 2009 Acta Phys.Sin.58 7952(in Chinese)[張爽,趙德剛,劉宗順,朱建軍,張書明,王玉田,段俐宏,劉文寶,江德生,楊輝2009物理學(xué)報(bào)58 7952]

[8]Williamson GK,Hall WH 1953 Acta Metall.1 22

[9]Chierchia R,Bottcher T,Heinke H,Einfeldt S,Figge S,Hommel D 2003 J.Appl.Phys.93 8918

[10]Zhang JC,Zhao D G,Wang JF,Wang Y T,Chen J,Liu JP,Yang H 2004 J.Cryst.Growth 268 24

[11]Xu Z J 2007 Measurement and Analysis of Semiconductor(2nd Ed.)(Beijing：Science Press)p164(in Chinese)[許振嘉2007半導(dǎo)體的檢測(cè)與分析(第二版)(北京：科學(xué)出版社)第164頁]

[12]Paduano Q S,Weyburne D W,Jasinski J,Liliental-Weber Z 2004 J.Cryst.Growth 261 259