氮化镓基LED外延片的SIMS溅射坑底形貌研究-材料物理与化学专业论文.docxVIP

摘要 摘要 万方数据 万方数据 摘 要 二次离子质谱仪（SIMS）具有高灵敏度、高分辨率等特点，是目前微电子 科学领域一种不可替代的定量分析手段。用 SIMS 对半导体材料中微量元素进行 深度剖析时，被溅射样品的表面形貌和结构会发生微观尺度的变化，进而影响 测量精度。特别是对具有复杂多层结构的 LED 外延片而言，一次离子溅射引发 的表面形貌变化更具有不确定性，迄今鲜有针对性研究。本文以南昌大学自主 研发的硅衬底氮化镓基 LED 外延片为研究对象，利用法国 CAMECA 公司生产 的双聚焦动态磁质谱仪结合原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM） 等分析手段，研究了经 SIMS 中 Cs+离子束溅射后样品表面形貌变化规律及其对 SIMS 测试结果的影响，对相关形貌形成机理进行了分析，初步探索了 SIMS 溅 射坑底表面形貌与外延片内部 V 型缺陷密度的相关性。这些研究为进一步解读 和利用 SIMS 丰富的谱图信息提供了参考依据，获得了以下有新意的研究成果： 1. SIMS 中 2 keV 的 Cs+离子作为一次离子束轰击 GaN 外延片表面时，溅射坑 底有纳米点结构形成，且这些纳米点的尺寸随着溅射深度的增加而增大，但 密度变化规律则相反。经 SEM 和 EDS 分析，认为这些纳米点为金属 Ga 滴。 2. 结合 GaN 二元相图和晶体凝固的成核长大理论，认为溅射过程中一方面产 生的表面温升使 GaN 发生热分解，另一方面 N 元素更易于被择优溅射，这 两方面的作用使得 Ga 先形成液滴再聚集长大。 3. 探索了结合 SIMS 深度剖析曲线和溅射坑底形貌特征来表征 GaN 基外延片中 V 型缺陷密度的新方法。2 keV 能量的 Cs+离子束轰击 GaN 外延片表面时， 在对应坑底除了纳米点的形成，还有凹坑结构的产生。溅射坑底凹坑的形成 与 GaN 外延片内部 V 型缺陷有关，可通过溅射坑表面凹坑密度间接表征 GaN 外延片中 V 型缺陷密度。 4. 比较了不同 Cs+离子束轰击能量下坑底的形貌特征，发现对表面不含 V 缺陷 的 GaN 基外延片，在 15 keV 高能量离子束溅射后，坑底表面平整，无纳米 点等特殊结构的形成，而对于表面具有 V 缺陷的 GaN 外延片，其溅射后坑 底表面出现了纳米点结构。 5. 对大量实验数据的统计分析表明低轰击能量、小束流下，其坑底表面易变粗 I 糙、溅射速率小且其二次离子产额较低，但有利于提高深度分辨率。而高轰 击能量、大束流下，其坑底表面保持平整、溅射速率大且其二次离子产额较 高，有利于降低元素分析的检测限。 关键词：SIMS；离子溅射；GaN 外延片；表面形貌；纳米点 II AB ABSTRACT ABSTRACT Secondary ion mass spectrometry (SIMS) is an irreplaceable technology for quantitative analysis in the microelectronics scientific fields due to its excellent sensitivity and high resolution. During SIMS analysis, the sputtered surface morphology and structure would be changed, which affects the measurement precision. Especially for the LED epitaxial wafer with complex multilayer structure, the changes of surface morphology by ion sputtering is uncertain. However, there have been seldom reserch concerned so far. In this paper the GaN epitaxial wafer based on Si substrate developed by Nanchang University have been studied by use of a Cameca IMS-7f SIMS instrument, atomic force microscope (AFM) and scanning electron microscope (SEM). We focused on the evolution of sputtered surface morphology and the influence to the SIMS depth profiles, A