硅基GaN外延层的调光电子能谱和二次离子质谱的研究.pdfVIP

基壶墨全璺固堡整箧茔垄金塑垒塞垒 !墅 硅基GaN外延层的x光电子能谱及 二次离子质谱的研究。 张吴翔叶志镇袁骏赵炳辉卢焕明汪雷阙端麟 (浙江大学硅材料国家重点实验室 杭州 310027) 摘要 表面分析仪和二次离子质谱仪对外延层的组成进行了表面分析(定量)和深度剖析(定性)， 发现外延层Ga和N组份分布均匀，并存在少量由衬底扩散过来的硅及蒸发出来的Si02。 关键词： GaNX光电子能谱二次离子质谱 一、引言 GaN是一种重要的直接带隙半导体，它具有禁带宽度大，热稳定性及化学稳定性好， 热导率高及电子极限漂移速度大等优点。因此在制备蓝紫光光电子器件如光发射二极管 极为困难．因此在异质衬底上G甜的外延生长就成为研究GaN材料和器件的主要手段。近年 蓝色发光二管[5]及激光器[6]． 昂贵，为了制各大面积的GaN薄膜，硅片被认为是制备G“的较为理想的衬底，因为它具 有许多优点，比如高质量的单晶，大尺寸，低价格等优点，但是硅辛寸底与GaN相比，也有 了新的认识，在探索新的G8N材料生长技术的同时，也探索在硅衬底上长GaN的工艺。 基于以上所述，本实验室根据自己实际情况。首次利用真空反应法成功地在Si树底上 N等主要元素外，还存在少量Si、O等杂质元素，有关的深入研究正在进行中。 二、实验 我们用固态金属镓作Ga源，氨气和氮气作氮源，其纯度均为5H，具体实验如下：硅 片采用传统的RCA清洗方法，清洗完毕后，立即放入生长室，开始抽真空，精心控制好各 行测试，证明生长的外延层晶体质量较好． 我们利用本实验室～台ESCALAB ’国家教育部“跨世纪优秀人才”基金资助 ■ !§! 璺室星垒基围堡整鏖芏盔全然焦圭基 析，用上海复旦大学国家微分析中心的一台IMS—THREEF型二次离子质谱仪进行了GaN 外延层的深度剖析。下面结合GaN外延屠的XPS及SIMS测试结果进行讨论。 三、结果讨论 看出。外延层表面在深度10rim范围内存在有Ga、N、Si、O四种元素。，其中Ga、 N为外延层的主要成分，在图1中其它处出现的峰均为俄歇蜂。 图2是8#样品的二次离子质谱测量谱线。横向坐标是刻蚀时间，纵向坐标表示信号 强度。由于探头对不同离子的灵敏度不同，所以图上标的只是相对强度，只能反应各种元 素的纵向强度变化，不能确定各种元素的百分比。图谱中谱线刚开始属于仪器预热状态， 不能真实反映样品情况。从图中亦可以看出有存在有Ga、N、Si、O四种元素，其中， O和si的曲线趋势基本一致，Ga和N的曲线趋势基本一致。在整个外延层中，Ga和N 组分分布均匀，说明GaN的生长速度比较稳定，整个外延层质量较好。同时在SIMS图谱 中可以看出si元索的曲线在外延层表面上翘，中间形成一个谷底，到了外延层深处又上升， 最后趋于一致。这时因为在高温下的外延生长中，si从衬底通过热扩散而进入外延层，当 样品在从生长室取出后暴露在空气中有～段时间，其外延层表面必然要吸附一定的氧，氧 与外延层表面的硅易结合而引起硅在表面的偏聚。另外，我们用的加热装置和样品托均含 在外延层中也探测到一定数量的si；由于进行了SIMS测试中，使用的～次离子由氧枪发 射，从而将探测到的SiO，均归入到si一类。同样氧元素曲线也有相同的规律，表面含量较 高是由于吸附了一定的氧，在界面处的氧曲线光滑平坦无上翘，说明我们的化学清洗和原 位清洗已经把衬底表面的氧去除了。 图3为Ga元素的XPS图谱，从图谱中可见Ga的峰形对称，说明镓是以一种价态存在。 索的俄歇峰之一，另一个峰是N元素峰，峰形也较对称，说明N元素也是以一种价态存在。 到化学计量比． 四、结论 本实验利用真实反应的方法在硅基上直接生长了Gab／外延层，通过XPS和SIMS的 测试，对Gab／夕}延层进行表面定量分析和深度剖析，发现外延层Ga和N组份分布均匀， 并存在少量由村底扩散过来的硅及蒸发出来的sich。 参考文献： 【1】NakamuraS，Tietien¨． Appl．Ph：ys．Left．．1994,74：1697 Se