氮化镓基LED外延片的SIMS溅射坑底形貌研究

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。

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第1章 绪论

1.1 前言

1.2硅衬底GaN基LED外延薄膜生长及结构

1.3 二次离子质谱法（SIMS）的简介

1.4 离子溅射的应用及SIMS溅射坑底形貌研究现状

1.5 本论文的研究内容及行文安排

第2章 离子溅射理论

2.1 前言

2.2择优溅射理论

2.3 Bradley-Harper模型

2.4 Ehrlich-Schwoebel模型

第3章 Cs+离子束溅射引发GaN表面特殊结构的演变

3.1 引言

3.2 溅射坑底表面纳米点的形成

3.3 溅射坑底表面凹坑的形成

3.4 本章小结

第4章 SIMS中高能量Cs+离子束溅射GaN的研究

4.1 引言

4.2 离子束聚焦好坏对坑底表面形貌的影响

4.3不同束流对坑底表面形貌的影响

4.4 样品初始表面形貌对坑底表面形貌的影响

4.5 本章小结

第5章 总 结

致谢

参考文献