金屬有機化學氣相沉積法生長條件對AlN薄膜面內晶粒尺寸的影響*

吳亮亮 趙德剛 李亮 樂伶聰 陳平 劉宗順 江德生

(中國科學院半導體研究所,集成光電子學國家重點實驗室,北京 100083)

(2012年11月16日收到;2012年12月19日收到修改稿)

1 引言

本文利用Williamson-Hall方法[8-10]測量AlN薄膜的面內晶粒尺寸,利用X射線衍射儀(XRD)測試不同氮化時間、緩沖層生長時間、載氣流量生長條件下AlN薄膜(0002),(0004),(0006)的ω掃描的半高寬,并分析這些生長條件對AlN薄膜的面內晶粒尺寸的影響.

2 測試所用材料的結構及Williamson-Hall方法

圖1是測試所用的材料結構示意圖.如圖1所示,我們測試所用的AlN薄膜是在C面藍寶石襯底上利用金屬有機化學氣相沉淀設備(MOCVD)生長的,Al源和N源分別由三甲基鋁(TMA)和NH3提供,載氣為H2,反應室保持壓強為4000 Pa.先只通入NH3進行氮化,NH3的流量為0.5 L/min,氮化溫度為1080°C;再生長一層AlN緩沖層,NH3的流量為0.5 L/min,TMA的流量為120 mL/min;之后再生長一層厚度約為0.7μm的AlN外延層,NH3的流量為5 L/min,TMA的流量為30 mL/min,生長溫度為1080°C.

圖1 測試所用的材料結構示意圖

Williamson-Hall方法測量面內晶粒尺寸的基本原理[11]是：對于三軸衍射(000L)的ω掃描,衍射峰的半高寬β是由位錯產生的傾轉角βt與面內共格長度 L//產生的加寬βL‖的和.β,βt和βL‖在倒易空間的qy軸上可分別表示為2βsinθ/λ,2βtsinθ/λ和1/L//,其中θ為(000L)面的布拉格角,λ為所用X光的波長,其值為1.5448?A,面內共格長度L//為兩個面內位錯間的距離,即認為面內晶粒尺寸是面內位錯的間距,所以面內共格長度也被稱為面內晶粒尺寸,公式為

對于所有的AlN薄膜我們利用XRD三軸衍射測試其(0002),(0004)和(0006)的ω掃描,代入公式的β是用弧度表示的角度,λ為0.15448 nm.由于βsinθ/λ與sinθ/λ為線性關系,所以以sinθ/λ作為自變量,βsinθ/λ為應變量,將(000L)的三個數值點代入坐標系中,可以得到一條直線,設直線的截距為y0,斜率為K,則可得如下結果：

面內共格長度也即是面內晶粒尺寸,是在假設薄膜由許多小的近柱體的小晶粒組成的條件下引入的.由(1)式可知,(000L)面ω掃描的半高寬有如下結果：

其中C為λ/(2sinθ).由此可知,面內晶粒尺寸越小時,衍射峰半高寬(FWHM)越大,位錯密度越大,晶體質量越差.

3 測試結果與討論

首先測試不同氮化時間條件下AlN薄膜的(000L)面ω掃描,材料的其他生長條件相同.圖2為不同氮化時間的Williamson-Hall方法做圖.圖2中的直線為同一個樣品的三個數據點的擬合直線,每條擬合直線上的三個數據點分別代表(0002),(0004),(0006)面ω掃描的數據(包含FWHM和Bragg衍射角θ).其中AlN薄膜的(0002),(0004),(0006)的Bragg衍射角θ分別取18.01°,38.19°,67.96°[11].將圖 2 中擬合所得直線的斜率和截距代入(2)式,可以得出面內晶粒尺寸隨氮化時間變化的關系,如圖3所示.

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圖2 不同氮化時間的Williamson-Hall方法做圖

圖3 為面內晶粒尺寸隨氮化時間變化的關系,由圖3可知,隨著氮化時間增加,面內晶粒尺寸減小,氮化時間從0增加到260 s時,面內晶粒尺寸減小的幅度很大,即面內晶粒尺寸從948 nm減少到464 nm.當氮化時間從260 s增加到600 s時,面內晶粒尺寸減小的幅度較小,即面內晶粒尺寸從464 nm減少到394 nm.表明氮化過程使得面內晶粒尺寸減小,其原因可以解釋為氮化過程使得在藍寶石襯底表面形成很多的成核區,接下來生長的AlN緩沖層和AlN薄膜層就是在這些成核小島處不斷朝橫向和縱向生長,最后合并成平面.此時隨著氮化時間的增加,成核小島的密度也增加,而成核小島密度增加使得最終形成的晶粒密度增加,從而每個晶粒的大小變小,也即面內晶粒尺寸變小[12].所以隨著氮化時間的增加,成核小島密度增加,面內晶粒尺寸減小.

其次測試不同緩沖層生長時間條件下AlN薄膜的(000L)面ω掃描,所有樣品的氮化時間都為260 s,材料的其他生長條件相同.將(0002),(0004),(0006)面ω掃描的數據代入Williamson-Hall做圖法中,可得出圖4為不同緩沖層生長時間的Williamson-Hall方法做圖.將圖4中擬合所得直線的斜率和截距代入(2)式,可以得出面內晶粒尺寸隨氮化時間變化的關系,如圖5所示.

圖3 面內晶粒尺寸隨氮化時間變化的關系

圖4 不同緩沖層生長時間的Williamson-Hall方法做圖

圖5 面內晶粒尺寸隨緩沖層生長時間變化的關系

圖5 為面內晶粒尺寸隨緩沖層生長時間變化的關系,由圖5可知,隨著緩沖層生長時間的增加,面內晶粒尺寸基本成線性增加,緩沖層生長時間為100,160和420 s時,面內晶粒尺寸分別為389,464和689 nm.表明增加緩沖層生長時間可以增大面內晶粒尺寸,其原因可以解釋為,AlN緩沖層的晶粒是在氮化形成的成核小島上生長而成的,隨著AlN緩沖層生長時間的增加,成核島不斷長大與合并,最終從三維島狀生長過渡為二維平面生長,增加AlN緩沖層生長時間使得島的合并增加,最終形成的AlN薄膜晶粒尺寸變大,密度降低.所以隨著AlN緩沖層生長時間的增加,AlN薄膜晶粒尺寸變大,密度降低,最終AlN薄膜的面內晶粒尺寸變大.

圖6 不同載氣流量的Williamson-Hall方法做圖

圖7 面內晶粒尺寸隨載氣流量變化的關系

最后測試不同載氣流量條件下AlN薄膜的(000L)面ω掃描,所用載氣為氫氣(H2),改變的只是AlN薄膜層生長時的載氣流量,氮化層和AlN緩沖層所用載氣都為10 L/min,此三個樣品都沒有AlN緩沖層,氮化時間為300 s,生長材料的其他生長條件相同.將(0002),(0004),(0006)面ω掃描的數據代入Williamson-Hall做圖法中,可得出圖6為不同載氣流量的Williamson-Hall方法做圖.將圖6中擬合所得直線的斜率和截距代入(2)式,可以得出面內晶粒尺寸隨載氣流量變化的關系,如圖7所示.

圖7為面內晶粒尺寸隨載氣流量變化的關系,由圖7可知,隨著載氣流量的增加,面內晶粒尺寸大幅減小,AlN薄膜層載氣流量為6,10和14 L/min時,面內晶粒尺寸分別為5505,535和245 nm,表明減小載氣流量可以增大面內晶粒尺寸.可能的解釋是載氣流量越大,越利于晶粒的縱向生長,從而不利于成核島的合并,AlN薄膜晶粒尺寸變小,密度變大,使得最終AlN薄膜的面內晶粒尺寸減小.

4 結論

本文應用Williamson-Hall方法測試并分析了不同氮化時間、AlN緩沖層生長時間、載氣流量生長條件下AlN薄膜的面內晶粒尺寸的變化.實驗結果表明隨著氮化時間的增加,成核小島密度增加,使得面內晶粒尺寸減小;隨著AlN緩沖層生長時間的增加,AlN薄膜晶粒尺寸變大,密度降低,最終AlN薄膜的面內晶粒尺寸變大;隨著載氣流量的增加,越有利于晶粒的縱向生長,使得面內晶粒尺寸減小.要想獲得晶體質量較好的AlN薄膜,可以在選擇較小的載氣流量和較小氮化時間前提下,優化AlN緩沖層生長條件,即增加緩沖層生長時間,甚至可以考慮兩步緩沖層生長,以增加AlN成核島的合并,增加AlN薄膜面內晶粒尺寸.

感謝北京同步輻射裝置(BSRF)衍射站對AlN薄膜材料X射線衍射表征的支持和幫助.

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