هموارسازی مورفولوژی سطح یک لایه هماپیتاکسیال GaN با قطر 2 اینچ مشاهده شده توسط توپوگرافی پراش اشعه ایکس

Jaemyung Kim Ab، Okkyun Seo abc، Satoshi Hiroi c، Yoshihiro Irokawa a، Toshihide Nabatame a، Yasuo Koide a و Osami Sakata * abc یک مرکز مشخصه‌سازی و تجزیه و تحلیل GaN، بخش خدمات شبکه تحقیقاتی و تسهیلات، مؤسسه ملی علوم مواد (NI)), Sengen، Tsukuba، Ibaraki 305-0047، ژاپن. پست الکترونیکی: SAKATA. Osami@nims. go. jp b ایستگاه پرتو ایکس سنکروترون در SPring-8، RNFS، NIMS، کوتو، سایو، هیوگو 679-5148، گروه اشعه ایکس سینکروترون ژاپن c، مرکز تحقیقاتی برای اندازه گیری پیشرفتهand Characterization, NIMS, Kouto, Sayo, Hyogo 679-5148, Japan

اولین بار در 8 ژانویه 2020 منتشر شد

چکیده

ما تغییرات مورفولوژی سطح را در یک ویفر GaN با قطر 2 اینچ، صفحه c، ایستاده آزاد با استفاده از توپوگرافی پراش اشعه ایکس در هندسه وقوع چرا بررسی کردیم. ما کاهش شدت اوج و افزایش عرض کامل را در نصف حداکثر قله GaN 114 Bragg پس از رسوب یک لایه هماپیتاکسیال روی همان ویفر GaN مشاهده کردیم. با این حال، زوایای خمشی صفحه شبکه پس از رسوب لایه هماپیتاکسیال تغییر نکرد. محاسبات تقریبی متولد شده با موج تحریف شده در نزدیکی شرایط بازتاب خارجی کل، کاهش زاویه تابش اشعه ایکس پیک 114 براگ را پس از رسوب لایه هماپیتاکسیال نشان داد. کاهش در هر دو نفوذ اشعه ایکس و زاویه بروز، قله‌های پراش گسترده‌تر و ضعیف‌تر را از سطح به جای GaN توده‌ای ایجاد کرد.

1. مقدمه

توصیف غیرمخرب کیفیت کریستال یک لایه هماپیتاکسیال برای کاربردهای صنعتی مانند دیودهای ساطع کننده نور، 1،2 دستگاه پرقدرت، 3،4 و دستگاه های فرکانس بالا مهم است. 5 یک تکنیک غیر مخرب مرسوم برای مشخصه یابی GaN از پراش اشعه ایکس استفاده می کند. شدت پیک، عرض زاویه ای و موقعیت مشاهده شده از پراش پرتو ایکس برای ارزیابی کریستالینیتی، چگالی دررفتگی و شعاع انحنای یک لایه هماپیتاکسیال استفاده شده است. 6 با این حال، با این روش، اطلاعات تنها از یک منطقه کوچک در دسترس است. 7-9 به دست آوردن اطلاعات در مورد یک ویفر کامل با ساختار غیر یکنواخت دشوار است. توپوگرافی پراش اشعه ایکس روشی است که می تواند بر این مشکل غلبه کند. با استفاده از اشعه ایکس سفید، می توان یک تصویر کنتراست جذب اشعه ایکس، مانند رادیوگرافی سنتی، به دست آورد. کنتراست جذب عمدتاً به دلیل تفاوت‌های چگالی الکترون است و حاوی اطلاعات جهت‌گیری نیست. پرتوهای ایکس سفید پراش نیز تصاویری را در زوایای براگ تولید می‌کنند، توزیع‌های 10-16 و سه‌بعدی جهت‌گیری شبکه را می‌توان به دست آورد. با این حال، تصاویر شامل بسیاری از اجزای طول موج هستند. بنابراین، تجزیه و تحلیل اطلاعات ویفر دشوار است و میدان دید به مقیاس میکرومتر محدود می شود.

توپوگرافی پراش پرتوی اشعه X که اخیراً توسعه یافته است ، پتانسیل کاربردهای صنعتی را نشان داده است. 17 اگر از یک آشکارساز دو بعدی در زاویه Bragg استفاده کنیم و از اشعه ایکس تک رنگ استفاده کنیم ، می توانیم یک تصویر توپوگرافی از یک منطقه بزرگ مانند یک ویفر بدست آوریم. این روش Ber g-Barrett نامیده می شود و به طور گسترده ای برای تشخیص نقص و جابجایی در داخل یک ویفر گان استفاده شده است. این روش ، همراه با تصویربرداری از منحنی لرزش اشعه ایکس ، مدولاسیون زاویه خمشی را بر روی یک لایه HOMOepitaxial GAN با قطر 2 اینچ نشان داده است. علاوه بر این ، با افزایش اندازه ویفر گان ایستاده ، امکان به دست آوردن اطلاعات از یک منطقه بزرگ به طور فزاینده ای اهمیت می یابد.

یک روش نقشه برداری از جهت گیری هواپیمای شبکه که ما با استفاده از دو زاویه آزیموتال توسعه داده ایم ، ما را قادر می سازد تا از نظر آماری شکل هواپیمای شبکه و عرض کامل را در نیمی از حداکثر (FWHM) تعیین کنیم و برای ارزیابی کیفیت کلی ویفر در یک زمان کوتاه مفید است. 18-20 همان روش تصویربرداری نیز در یک لایه هموپیتاکسیال اعمال شده است. با این حال ، این تصاویر توپوگرافی از لایه homoepitaxial یا بستر فله پراکنده هستند. اگر اختلاف چگالی الکترون بین بستر فله و لایه هموپیتاکسیال وجود نداشته باشد ، اشعه ایکس حادثه با آنها به عنوان یک ماده در تعامل است. این امر ارزیابی کیفیت کریستال یک لایه هموپیتاکسیال در بالای ویفر را دشوار می کند.

پرتوهای ایکس پراکنده با زاویه های کم شیوع به سطح نمونه حساس هستند. در نزدیکی رژیم بازتاب خارجی کل ، پراش پرتونگاری نامتقارن با پراش پرتونگاری دینامیکی قابل توضیح نیست ، اما تقریب متولد شده موج تحریف شده (DWBA) می تواند برای همان استفاده شود. 21-23 در این حالت ، عمق نفوذ اشعه ایکس به زاویه بروز پرتوهای X حساس است ، که پروفایل های قله های پراش پرتونگاری را تعیین می کند. در زاویه بروز کم ، سهم اصلی در پراش اشعه ایکس از ناحیه سطح و بالعکس حاصل می شود. بنابراین ، ما می توانیم منشأ سیگنال پراش را متمایز کنیم و تبلور لایه هموپیتاکسیال را علی رغم تراکم الکترون بسیار مشابه لایه فله و هموپیتاکسیال درک کنیم. علاوه بر این ، اطلاعات مربوط به زاویه بروز اشعه ایکس را می توان از این آزمایش استنباط کرد ، که سرنخ هایی در مورد تغییرات در مورفولوژی سطح ارائه می دهد. با ترکیب این تکنیک با توپوگرافی پراش اشعه ایکس ، می توان اطلاعاتی در مورد مناطق بزرگ سطح به دست آورد.

در اینجا ما در مورد صافی مورفولوژی سطح پس از رسوب یک لایه هموپیتاکسیال در بالای یک ویفر گان به قطر 2 اینچ 2 اینچ گزارش می کنیم. با مشاهده تصویر توپوگرافی بازسازی شده از قله GAN نامتقارن (114) ، ما کاهش در شدت اشعه ایکس و گسترش اوج پیدا کردیم. با این حال موقعیت اوج بدون تغییر باقی مانده است. محاسبات نظری با استفاده از DWBA از کاهش عمق نفوذ اشعه ایکس به دلیل کاهش زاویه بروز پرتوهای X نسبت به سطح صاف پشتیبانی می کند.

2 جزئیات آزمایشی

یک بول ضخیم GaN با استفاده از روش اپیتاکسی فاز بخار هیدرید رشد داده شد. برای تولید یک ویفر GaN با قطر 2 اینچ و ایستاده، ما بول را از بستر قربانی جدا کردیم، آن را به ویفرهایی به ضخامت 300 میکرومتر برش دادیم و آن را جلا دادیم. زاویه برش اشتباه تقریباً 0. 4 درجه به سمت جهت [-1100] بود. برای تعیین کیفیت کلی ویفر، توپوگرافی پراش اشعه ایکس را در BL20B2، SPring-8، ژاپن انجام دادیم. شکل 1 پیکربندی تجربی توپوگرافی پراش اشعه ایکس را نشان می دهد. ما طول موج پرتو ایکس 1. 284 Å را با استفاده از یک تک‌کروماتور دوبلور Si (111) انتخاب کردیم. اندازه پرتو اشعه ایکس فرودی به اندازه کافی بزرگ بود تا ویفر GaN 2 اینچی را به طور کامل بپوشاند، و زاویه تابش تقریباً به 0. 58 درجه تنظیم شد تا پیک نامتقارن GaN 114 مشاهده شود. یک سنسور صفحه تخت (FPS، C7942 Hamamatsu Photonics)، با اندازه پیکسل 50 میکرومتر در جهت افقی و عمودی، در زاویه 2 θ 79. 3 درجه نصب شد. با چرخش زاویه تابش در مراحل 10 ثانیه قوسی، تصاویر جزئی پراش شده را با FPS ضبط کردیم. زمان قرار گرفتن در معرض اشعه ایکس برای هر فریم 10 ثانیه تنظیم شد. تصاویر دیجیتال ادغام شدند تا یک ماتریس سه بعدی (x، y، θ) برای محاسبات بیشتر تشکیل دهند. محاسبات متوالی حداکثر شدت پیک، عرض FWHM و موقعیت زاویه ای در هر موقعیت (x، y) انجام شد. روش های محاسبه در جای دیگری توضیح داده شده است. 18-20

شکل 1 (الف) تنظیم آزمایشی برای توپوگرافی پراش اشعه ایکس GaN (114). ما زاویه تابش اشعه ایکس را روی 0. 58 درجه تنظیم کردیم و یک آشکارساز صفحه تخت دو بعدی با زاویه 2 θ 79. 3 درجه نصب کردیم.(ب) پرتوهای ایکس نیمه پراش در زوایای فرود مختلف به دلیل خمش صفحه شبکه ثبت می شود.

3. نتایج و بحث

ما همان روش‌های اندازه‌گیری را برای تجزیه و تحلیل ساختاری یک لایه هماپیتاکسیال با ضخامت 5 میکرومتر انجام دادیم که توسط رسوب بخار شیمیایی فلز-آلی رشد کرده بود. شکل 2(a) و (c) نقشه های حداکثر شدت ویفر GaN 2 اینچی را قبل و بعد از رسوب یک لایه هماپیتاکسیال n-GaN 5 میکرومتری نشان می دهد. شدت کلی کاهش یافت، و به ویژه، قسمت پایین سمت چپ ویفر کاهش شدید شدت را نشان داد. نقشه های FWHM ارزیابی شده از عرض پیک قبل و بعد از رسوب لایه هماپیتاکسیال به ترتیب در شکل 2(b) و (d) نشان داده شده است. FWHM پس از رسوب لایه هماپیتاکسیال، به ویژه در قسمت پایین سمت چپ ویفر افزایش یافت. این نتایج را می توان به عنوان تبلور کمتر لایه همپایی تفسیر کرد. با این حال، کیفیت کریستال یک لایه هماپیتاکسیال معمولاً بالاتر از کریستال‌های حجیم GaN است.

شکل 2 تصاویر ویفر بازسازی شده از (الف) حداکثر شدت و (ب) اوج FWHM بستر حجیم قبل از رسوب لایه هماپیتاکسیال. پس از رسوب لایه هماپیتاکسیال، حداکثر شدت و مقادیر FWHM تغییر کرد، همانطور که در (c) و (d) نشان داده شده است. به طور خاص، سمت چپ پایین ویفر کاهش شدت و افزایش FWHM را نشان داد.

برای درک این ویژگی جالب، نقشه های زاویه خمش نشان داده شده در شکل 3 (الف) و (ب) را ارزیابی کردیم. ویفر خمش محدب را نشان داد و تقریباً هیچ تغییری در زوایای خمش قبل و بعد از رسوب لایه هماپیتاکسیال مشاهده نشد. پروفیل های خط نشان داده شده در شکل 3(c) و (d) نیز هیچ تغییری در خمش ویفر نشان نمی دهند. ما شعاع انحنا را هم قبل و هم بعد از رسوب 9. 5 متر تخمین زدیم. ما شدت‌های پایین‌تر، FWHM‌های وسیع‌تر و زوایای خمشی بدون تغییر را به تغییرات زاویه برش نادرست نمونه پس از رسوب لایه هماپیتاکسیال که بر نفوذ اشعه ایکس تأثیر می‌گذارد نسبت می‌دهیم.

شکل 3 نقشه های زاویه خمشی ویفر (الف) قبل و (ب) بعد از رسوب لایه هماپیتاکسیال بازسازی شده است. نمایه ها در امتداد خطوط نقطه چین در (الف) و (ب) به ترتیب در (ج) و (د) نشان داده شده اند. زاویه خمش پس از رسوب لایه هماپیتاکسیال تغییر نکرد.

ضریب شکست n برای اشعه ایکس را می توان به صورت زیر نوشت

n = 1 - δ - iβ،

(1)

جایی که δ = λ2 _er_e/2π و β = μ /2 k . اینجا،_e، ر_e، μ و k میانگین چگالی عدد الکترون، شعاع الکترون کلاسیک هستند (که مقدار آن 2. 82 × 10 است.−5Å)، ضریب جذب و بردار موج، به ترتیب. مقادیر δ و β مورد استفاده برای محاسبات 6. 96 × 10 بود−6و 5. 58 × 10−7به ترتیب، در طول موج 1. 284 Å مربوط به چگالی عدد الکترونی GaN 1. 66/Å3. شدت پراکندگی سینماتیکی نزدیک به بازتاب خارجی کل 21-23 را می توان به صورت بیان کرد

I ( Q ) ∝ |تیi| 2S (Q)|تیf| 2 ,

(2)

کجا |تی_i,f| 2و S (Q) به ترتیب نشان دهنده شدت های نزولی و قانون پراکندگی است. مقدار T_iمی تواند به عنوان داده شود

(3)

جایی که α_iزاویه تابش اشعه ایکس است. زیرا α_f= 79. 3 درجه - α_i، تی_fبه دلیل زاویه پراش بزرگ تقریباً واحد است. مقادیر محاسبه شده |تی_i| 2و |تی_f| 2در شکل 4 (a) ترسیم شده است. با افزایش زاویه تابش اشعه ایکس، |تی_f| 2تا زاویه بحرانی برای بازتاب خارجی کل، 0. 284 درجه افزایش می یابد، و سپس به صورت نمایی کاهش می یابد. اگر سهم مولفه z کریستال را در پراش در نظر بگیریم، قانون پراکندگی S (Q) را می توان به صورت بیان کرد.

(4)

که در آن Λ، a و p به ترتیب عمق نفوذ اشعه ایکس، شبکه ثابت a و تعداد لایه هایی را که باید از بالا حذف شوند را نشان می دهند. برای این محاسبه، p را روی 0 قرار می دهیم تا پراکندگی از لایه بالایی تا سطح داخلی محیط را در بر گیرد. عمق نفوذ اشعه ایکس توسط

(5)

جایی که

l i,f= 2-1/2 <(2 δ − sin2αi,f) + [(گناه2αi,f- 2 δ )2+ (2 β)2 ] 1/2 > 1/2 .

(6)

شکل. 4 محاسبات نظری (الف) شدتهای فروپاشی و (ب) عمق نفوذ اشعه ایکس Λ . حداکثر شدت فزاینده |تیi| 2در زاویه تابش بحرانی اشعه ایکس رخ می دهد و سپس تحت میرایی نمایی قرار می گیرد در حالی که |تیf| 2تقریبا ثابت استبا افزایش زاویه تابش اشعه ایکس، عمق نفوذ اشعه ایکس افزایش می یابد.

یک محاسبه نظری از عمق نفوذ اشعه ایکس در شکل 4 (b) نشان داده شده است. حدود 0. 284 درجه شروع به افزایش می کند. Λ در زاویه بحرانی 116 Å محاسبه شد. به عنوان α_iافزایش می یابد، Λ به طور خطی متناسب با α می شود_i. پروفیل های پیک پراش اشعه ایکس GaN (114) در شکل 5(a) نشان داده شده است، همانطور که از معادله (2) محاسبه شده است. نتایج محاسبات نشان می دهد که شدت پراش با α افزایش می یابد_i. علاوه بر این، قله ها به صورت α تیزتر می شوند_iهمانطور که در شکل 5 (b) نشان داده شده است ، افزایش می یابد. این بدان معنی است که در زاویه های بروز پرتونگاری کم ، حجم نمونه ای که در پراش شرکت می کند اندک است. به طور دقیق تر ، تعداد سلولهای واحد در امتداد سطح طبیعی کوچک است. بنابراین ، شدت اشعه ایکس با زاویه کم حاوی اطلاعات سطح است. از طرف دیگر ، هنگامی که زاویه بروز اشعه ایکس بسیار بزرگتر از زاویه بحرانی است ، قله پراش به دلیل عمق نفوذ بزرگ اشعه ایکس شدید و تیز است. در این حالت ، تعداد سلولهای واحد که به پراش اشعه ایکس کمک می کنند بیشتر از زاویه های بروز کم است. این باعث افزایش شدت پراش می شود و اوج را تیز می کند.

شکل 5 (الف) پروفایل های اوج پراش نظری به عنوان توابع q z و (ب) FWHM در مقابل زاویه بروز اشعه ایکس. با کاهش زاویه بروز ، اوج پراش گسترده تر و ضعیف تر می شود.

به گفته هیرایی و همکاران.، 24 یک ساختار سطح تپه ای که شامل M-Plane GAN است با تنظیم زاویه های اشتباه کنترل می شود. در آن گزارش ، یک لایه هموپیتاکسیال که بر روی یک بستر GAN با زاویه اشتباه 5. 4 درجه رشد می کند ، یک مورفولوژی سطح صاف را نشان داد. علاوه بر این ، آنها دریافتند که اوج یک تپه هرمی مربوط به منشأ یک جابجایی است. 25 برای C-Plane GAN ، چگالی تپه با افزایش زاویه اشتباه به سمت [100] کاهش یافت. 26 زاویه اشتباه در GAN 2 اینچی ما 0. 4 درجه کوچکتر از گزارش های قبلی بود. با این حال ، ما می توانیم انتظار داشته باشیم که لایه homoepitaxial یک سطح نرم تر داشته باشد. در آزمایش ما ، ما به جای 2 θ یا Q ، گسترش δ θ از قله براگ را مشاهده کردیم _z ، زیرا ما از یک آشکارساز دو بعدی و پرتو بزرگ اشعه ایکس استفاده کردیم. در اصل ، مقدار δ θ باید نیمی از Δ2 θ باشد ، بنابراین می توانیم گسترش δ θ را به عنوان گسترش Δ2 θ تفسیر کنیم.

شکل 6 یک مدل پیشنهادی را نشان می دهد که مطابق با نتایج تجربی ، محاسبات نظری و گزارش های قبلی است. رسوب یک لایه هموپیتاکسی در بالای یک ویفر گان آزاد ، صافی سطح را تقویت می کند ، همانطور که در شکل 6 (b) نشان داده شده است ، که باعث کاهش زاویه بروز اشعه ایکس می شود. این باعث کاهش تعداد اتم های پراکندگی می شود که باعث کاهش شدت پراش و افزایش اوج می شود. با این حال ، موقعیت اوج تغییر نمی کند ، زیرا خم شدن ویفر یکسان است. اگرچه ما به طور مستقیم بازتاب اشعه ایکس را تحت این شرایط اندازه گیری نکردیم ، اما انتظار داریم که این افزایش یابد. میکروسکوپ نیروی اتمی یا تکنیک های مرتبط می تواند مناطق بسیار کمی را که برای درک ریزساختارها مناسب هستند ، برطرف کنند. مشاهده یک تغییر مورفولوژی ماکروسکوپی ، مانند تغییر در ساختار تپه ، استفاده از این تکنیک ها دشوار است زیرا منطقه شناسایی شده بسیار کوچک است. اگرچه روشهای مخرب مانند میکروسکوپ الکترونی عبوری و یک مرحله آلفا وجود دارد ، درک تغییرات مورفولوژی سطح و ارتباط آنها با هواپیماهای شبکه به طور مستقیم دشوار است.

شکل 6 مدلهای پیشنهادی برای نشان دادن مورفولوژی سطح (A) قبل و (ب) پس از رسوب لایه هموئوپیتاکیال. زاویه بروز اشعه X با توجه به سطح کاهش می یابد و باعث کاهش نفوذ اشعه ایکس می شود. بر این اساس ، شدت اشعه ایکس کاهش می یابد و FWHM افزایش می یابد ، در حالی که زاویه خمش بدون تغییر باقی می ماند.

ما معتقدیم که ترکیبی از توپوگرافی پراش اشعه ایکس با پراش پرتونگاری سطح ، مانند پراش اشعه ایکس زاویه ای ، 27 پراش نامتقارن نامتقارن ، 28 و پراش ساختار ریز غیر عادی ، 29 برای درک استفاده می شود. تغییرات سطحی در فیلم های هموپیتاکسیال.

4. نتیجه گیری

در نتیجه ، ما بعد از رسوب یک لایه هموپیتاکسیال ، مورفولوژی سطح یک وفر گان فله 2 اینچ را مشاهده کرده ایم. توپوگرافی پراش اشعه ایکس به دست آمده از GAN (114) کاهش شدت اشعه ایکس و افزایش در FWHM را نشان داد ، در حالی که زاویه خمش پس از رسوب لایه هموپیتاکسیال تغییر نمی کند. محاسبات DWBA نظری نشان می دهد که عمق نفوذ اشعه ایکس به دلیل کاهش زاویه بروز پرتوهای X کاهش می یابد. بر این اساس ، تعداد اتمهای شرکت کننده در پراش پرتو X کاهش یافته و اوج پراش ضعیف تر و گسترده تری ایجاد می کند. ما معتقدیم که رویکرد ما برای درک کیفیت کریستال لایه های GAN Homoepitaxial و GAN فله مفید خواهد بود.

تضاد علاقه

سپاسگزاریها

این اندازه گیری ها در بهار 8 تحت پیشنهاد شماره 2017B1029 و 2018b1010 انجام شد. این کار توسط وزارت آموزش ، فرهنگ ، ورزش ، علوم و فناوری (MEXT) پشتیبانی شده استکره (NRF) که توسط وزارت آموزش و پرورش تأمین می شود (شماره کمک مالی 2018R1A6A3A03012052).