基于X射线衍射的GaN薄膜厚度的精确测量.pdfVIP

第 57卷 第 11期 2008年 11月 物 理 学 报 Vo1．57，No．11，November，2008 1000—3290／2008／57(11)／7119．07 ACIAl PHYSICA SINICA ⑥2008Chin．Phys．Soc． 基于X射线衍射的GaN薄膜厚度的精确测量* 李洪涛 罗 毅 席光义 汪 莱 江 洋 赵 维 韩彦军 郝智彪 孙长征 (清华信息科学与技术国家实验室(筹)，集成光电子学国家重点实验室，清华大学 电子工程系，北京 100084) (2008年 1月20日收到；2008年 5月27日收到修改稿) 结合Williamson—Hallplot方法和线型分析方法的优点，提出了一种有效分离有限晶粒尺寸和非均匀应力等 x射 线衍射展宽效应 的方法 ，可 以用于 GaN外延层厚度等参数 的快速精确测量 ．用该方法对一系列在蓝宝石衬底上生 长的厚度在 O．7—4．2ttm的GaN外延膜进行 了测量 ，并与椭 圆偏振光谱法测量结果进行 了比较 ，结果表 明其差别 4％，反应 了这种方法的准确性 ． 关键词：GaN薄膜，厚度测量，x射线衍射 PACC：6855，7870C，7820G 一 方面，x射线衍射是一种评价外延膜晶体质量的 1．引 言 基本手段 ，具有无损测试和适用于大面积样 品等优 点，因此发展基于 x射线衍射的厚度测量方法具有 GaN基材料作为宽禁带半导体材料的典型代 重要意义 ．通常 ，外延层的厚度可以通过 (o120联动 表 ，被公认为是最有前途的第三代半导体材料之一 ． 扫描 曲线 的pendellosung干涉条纹来测量 ，但 由于 近年来，在 GaN基光电子器件和微电子器件 的制作 GaN外延膜 的结 晶质量不完美 ，在 GaN外延膜 的 方面取得了巨大 的进展…．然而 由于缺少 晶格匹配 col20联动扫描 曲线 中通常观察不到 pendellosung条 的同质衬底 ，GaN基材料通常是在蓝宝石、碳化硅和 纹．冯淦等 发展 了一种采用 GaN积分强度和衬底 硅等大失配衬底上进行异质外延 ．以最常用 的蓝宝 积分强度的比值与样品厚度 的关系来测量 GaN薄 石衬底为例，其和 GaN的晶格常数失配高达 14％， 膜厚度的方法 ．该方法对厚度小于2ttm的样品给出 热膨胀系数失配高达 34％．因此 ，在蓝宝石衬底上 了较好的测量结果 ．但 因其需要测量衬底 的积分强 生长的 GaN基材料通常表现出镶嵌结构 (mosaic 度作为参考，对于较厚的样品由于吸收效应加强而 structure)，位错密度高达 10一10 cm～．这给 GaN 精度下降． 基材料的质量评测带来了很大困难 ． 本文提出一种利用高分辨率 x射线衍射 co／20 在 GaN基材料外延和器件制作 中，对外延膜厚 联动扫描曲线半高全宽来测量 GaN外延膜厚度 的 度的准确测量和控制是一个基本 内容 ．GaN外延层 新方法 ．该方法简单准确，且可测量范围广，对于厚 的厚度 ，可以通过扫描电镜或透射电镜等直接观察． 度在0．7—4．2ttm内的样品均具有很高的精度 ． 这是一种破坏性的方法 ，加之 由于蓝宝石的导电性 差 ，且难于解理 ，样品制备困难 ．同时，由于这种方法 2．实 验 只能测量 “微观”面积的样品，具有受限的统计性质 ． 张进城等 提出了一种基于透射谱 的 GaN薄膜厚 本实验所用 GaN样 品是利用 Aixtron2000HT 度测量方法，但这种方法要求衬底是透明的，并且需 MOVPE(金属有机物气相外延)系统在蓝宝石衬底 要事先知道 GaN折射率随波长变化的准确信息．另