用同步輻射X射線衍射技術(shù)分析GaN／Si外延膜的結(jié)構(gòu)與應(yīng)變

丁斌峰，潘 峰，法 濤，成楓鋒，姚淑德

（1．廊坊師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，河北 廊坊065000；2．北京大學(xué) 核物理與核技術(shù)國家重點實驗室，北京100871；3．陜西理工學(xué)院 物理系，陜西 漢中723001）

1 引 言

自1896年X射線被發(fā)現(xiàn)以來，可以利用X射線分辨的物質(zhì)系統(tǒng)越來越復(fù)雜．從簡單物質(zhì)系統(tǒng)到復(fù)雜的生物大分子，X射線已經(jīng)為我們提供了很多關(guān)于物質(zhì)靜態(tài)結(jié)構(gòu)的信息．此外，由于在各種測量方法中，X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等優(yōu)點，再加上晶體存在的普遍性和晶體的特殊性能以及其在計算機、航空航天、能源、生物工程等工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對晶體的研究日益深入，使得X射線衍射分析成為研究晶體最方便、最重要的手段［1－2］．但是傳統(tǒng)的X射線衍射方法，由于其X射線的強度小，使其不能精確地測定晶體結(jié)構(gòu)和晶格常量．同步輻射X射 線 衍 射 （synchrotron radiation X－ray diffraction，SRXRD）技術(shù)，由于其X射線的強度大，所以不但可以精確地測定晶體的結(jié)構(gòu)和晶格常量，而且還可以進行晶體的取向和外延膜應(yīng)變等的研究［3］．

2 實 驗

2．1 實驗原理

當單色X射線束入射到晶體時，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同的數(shù)量級，因此由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度與晶體的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)．衍射線空間方位與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系可用布拉格方程［4－5］表示為

衍射面間的距離及其在水平與垂直方向的應(yīng)變（e∥，e⊥）、四方畸變（eT）可表示為［6－8］

已知λ，h，k，l可以測出θ，進而可以求出a和c．布拉格方程將晶體的周期性的特點、X射線的本質(zhì)與衍射規(guī)律結(jié)合起來，利用衍射實驗只要知道λ和θ這2個量，由式（1）～（5）就可以計算出a和c．

點陣常量的測定是通過X射線衍射線的位置θ的測定而獲得的，點陣常量測定中的精確度涉及布拉格角的測量精度．晶面間距測量的精度隨著θ角的增加而增加，θ越大得到的點陣常量值越精確，因而點陣常量測定時應(yīng)選用高角度衍射線［9］．

應(yīng)變是 Ga N（0002）面在Si（111）面上生長時，由于Si的晶格常量與GaN的晶格常量不匹配引起的，所以在水平方向（a）與垂直方向（c）產(chǎn)生彈性應(yīng)變［10］．圖1所示為X射線衍射原理示意圖［3－5］．

圖1 X射線衍射原理示意圖

2．2 實驗方法

SRXRD衍射儀是由X射線源、單色器、定角儀和探測器組成．X射線源是同步輻射源．單色器為第一晶體．同步輻射源又加1個單色器，為第二晶體，樣品為第三晶體．

選擇GaN／Si作為測試樣品，樣品結(jié)構(gòu)如圖2所示．襯底為Si，緩沖層為Al N與AlGaN，外延層為GaN．測試樣品用金屬有機化學(xué)氣相沉積方法制備．

圖2 樣品的生長結(jié)構(gòu)

本實驗采用具有Ge（220）單色器的Bruker D8－Discover系統(tǒng)．在單色器和探測器前使用的4個狹縫寬度分別是：1．0，1．0，0．6，0．2 nm．X射線波長為Cu Kα（λ＝0．153 981 nm），核心部件由4個旋轉(zhuǎn)圓組成，分別為Ф圓、χ圓、ω圓和2θ圓．ω和2θ圓為同一轉(zhuǎn)軸；Ф圓轉(zhuǎn)軸垂直于樣品表面，與ω和2θ圓的轉(zhuǎn)軸垂直；χ圓為樣品的傾斜旋轉(zhuǎn)圓．另外樣品架還可以二維轉(zhuǎn)動和平動［7－9］．

1）θ－2θ掃描：也叫聯(lián)動，樣品和探測器都在轉(zhuǎn)動，從衍射峰的位置可以確定樣品的晶格常量，從而確定樣品外延膜的應(yīng)變．衍射峰的半峰全寬與薄膜的厚度、組分及應(yīng)變的不均勻性有關(guān)．

2）ω掃描：也稱搖擺，探測器固定在2θ位置，樣品在θ左右搖擺，從衍射峰的半峰全寬判定樣品的結(jié)晶品質(zhì)．

3）Ф掃描：衍射晶面與樣品表面有一定的夾角，如 GaN 的表面（0002）與（10 11）的夾角為61．96°，先將樣品傾斜61．96°（即χ＝61．96°），然后選擇θ＝18．463°［θ為 GaN（10 11）的衍射角］，最后樣品繞表面法線從－25°旋轉(zhuǎn)到334°，即為Ф掃描，可以觀測（10 11）面的空間分布，從而判斷晶體的結(jié)構(gòu)．

選擇Ga N／Si晶體作為實驗測試的樣品，其表面為Si（111）面，與外延膜 Ga N（0002）面平行．利用同步輻射X射線衍射技術(shù)，首先對Ga N進行θ－2θ的對稱與非對稱掃描，可以得出Ga N的晶格常量及其應(yīng)變；其次，作ω掃描，從衍射峰的半峰全寬判定樣品的結(jié)晶品質(zhì)；再次，將Ga N（0002）的χ角轉(zhuǎn)過61．96°，轉(zhuǎn)到 Ga N（10 11）面，對準GaN（10 11）的布拉格衍射角θ＝18．463°，進行－25°～334°的Ф掃描，可以得出GaN外延膜的結(jié)構(gòu)．

3 結(jié)果與討論

圖3與圖4分別是Ga N沿（0002）與（10 11）對稱與非對稱面的θ－2θ掃描，從圖中可以得出GaN的衍射角，由式（1）～（5），可以算出Ga N外延膜的晶格常量與應(yīng)變（計算結(jié)果在表1中）．

圖5為Ga N（0002）的搖擺線，從圖5中可以看出其半峰全寬為0．63°，半峰全寬比較小，所以樣品結(jié)晶品質(zhì)較好［11］．

圖6是 GaN（10 11）的Ф 掃描，其中 GaN（10 11）的θ＝18．463°，Ф＝－25°～334°．從圖6中可以看到，GaN（10 11）為六重對稱，說明Ga N為六方結(jié)構(gòu)．

3 沿GaN（0002）對稱面和Si（111）衍射面的θ－2θ掃描

圖4 沿GaN（10 11）非對稱面的θ－2θ掃描

圖5 Ga N（0002）衍射面在Ф＝0°方向上的搖擺線

圖6 Ga N（10 11）的Ф 掃描

表1 GaN理論晶格常量、測量晶格常量、垂直應(yīng)變、水平應(yīng)變及四方畸變

Ga N直接長在Si上，由于晶格常量的不同［（aGaN＝0．318 9 nm，aSi（111）＝0．384 03 nm）］，使得晶格失配（失配率16．9%）［12］，再則 GaN 和 Si的熱膨脹系數(shù)分別為5．59×10－6K－1和3．77×10－6K－1，當GaN薄膜從高的生長溫度（1 100～1 200℃）降到室溫時，在厚的Ga N外延膜中會產(chǎn)生很大的張應(yīng)力而在表面易產(chǎn)生裂紋，張力釋放的結(jié)果會導(dǎo)致高密度的無序性（～1 010 cm－2）．插入Al N層的方法可以減少Si襯底上厚GaN外延膜的張應(yīng)力和裂紋，這一點可以從表1的應(yīng)變結(jié)果看出來，應(yīng)力基本得到釋放，所以樣品結(jié)晶品質(zhì)較好［13－14］．

4 結(jié) 論

采用SRXRD測定晶體的結(jié)構(gòu)和晶格常量是一種可靠、精確有效的方法．采用SRXRD可以測定晶體的水平應(yīng)變、垂直應(yīng)變和四方畸變，也可以判定晶體的結(jié)晶品質(zhì)．

致謝：SRXRD實驗在國家同步輻射實驗室（合肥）完成，實驗中得到國家同步輻射實驗室X射線站潘國強教授的大力幫助，在此表示感謝．

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