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

丁斌峰，潘 峰，法 濤，成楓鋒，姚淑德

（1．廊坊師范學院 物理與電子信息學院，河北 廊坊065000；2．北京大學 核物理與核技術國家重點實驗室，北京100871；3．陜西理工學院 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)越來越復雜．從簡單物質(zhì)系統(tǒng)到復雜的生物大分子，X射線已經(jīng)為我們提供了很多關于物質(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)領域的廣泛應用，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，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．衍射線空間方位與晶體結(jié)構(gòu)的關系可用布拉格方程［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選用高角度衍射線［9］．

應變是 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變．衍射峰的半峰全寬與薄膜的厚度、組分及應變的不均勻性有關．

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，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、垂直應變、水平應變及四方畸變

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)生很大的張應力而在表面易產(chǎn)生裂紋，張力釋放的結(jié)果會導致高密度的無序性（～1 010 cm－2）．插入Al N層的方法可以減少Si襯底上厚GaN外延膜的張應力和裂紋，這一點可以從表1的應變結(jié)果看出來，應力基本得到釋放，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變、垂直應變和四方畸變，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．

［1］ 李美亞，張之翔．X射線的發(fā)現(xiàn)及其對現(xiàn)代科學技術的影響［J］．物理，1995，24（8）：474－482．

［2］ 梁敬魁，陳小龍，古元新．晶體結(jié)構(gòu)的X射線粉末衍射法測定［J］．物理，1995，24（8）：483－491．

［3］ 程國峰．同步輻射X射線應用技術概論［M］．上海：上海科學技術出版社，2009：23－47．

［4］ 黃昆，韓汝琦．固體物理學［M］．北京：高等教育出版社，1998：56－138．

［5］ 王矜奉．固體物理［M］．濟南：山東大學出版社，2006：1－49．

［6］ 丁志博，王琦，王坤，等．In Ga N／Ga N多量子阱的組分確定和晶格常數(shù)計算［J］．物理學報，2007，56（5）：2873－2877．

［7］ 麥振洪．溥膜結(jié)構(gòu)X射線表征［M］．北京：科學出版社，2007：1－127．

［8］ 姜傳海，楊傳錚．材料射線衍射和散射分析［M］．北京：高等教育出版社，2010：77－111．

［9］ 祁景玉．X射線結(jié)構(gòu)分析［M］．上海：同濟大學出版社，2003：1－78．

［10］ 丁志博，姚淑德，王坤，等．Si（111）襯底上生長有多緩沖層的六方GaN晶格常數(shù)計算和應變分析［J］．物理學報，2006，55（6）：2977－2981．

［11］ 陳敦軍，沈波，張開驍，等．GaN1－xPx薄膜的結(jié)構(gòu)特性研究［J］．物理學報，2003，52（7）：1788－1791．

［12］ 王坤，姚淑德，侯利娜，等．用盧瑟福背散射／溝道技術研究ZnO／Zn0．9Mg0．1O／ZnO異質(zhì)結(jié)的彈性應變［J］．物理學報，2006，55（6）：2892－2896．

［13］ Zhou Sheng－qiang，Wu Ming－fang，Yao Shu－de．A practical guide for X－ray diffraction characteriza－tion of Ga（A1，In）N alloys［J］．Chinese Physics Letter，2005，22（8）：1984－1986．

［14］ Zhang Hong－fang，Yu Li，Zhang Li－h(huán)ua，et al．Application of the moment methods to analysis of X－ray diffraction line profile for Pa1010－BMI system ［J］．Chinese Journal of Polymer Science，1995，13（3）：210－217．