氮化鎵中鉻含量的二次離子質譜分析方法研究

2020-04-10 06:42:18張鑫

科技風 2020年10期

張鑫

摘要：本文采用二次離子質譜儀檢測氮化鎵材料中離子注入Cr的濃度，使用相對靈敏度因子法對氮化鎵中Cr含量定量分析，為相關生產工藝和實驗研究提供參考。

關鍵詞：氮化鎵;二次離子質譜;離子注入;相對靈敏度因子

氮化鎵材料禁帶寬度較大，是寬禁帶半導體之一，被廣泛用作微波功率晶體管和藍色光發光器件的生產制造原材料。氮化鎵材料的探究與使用是目前全世界半導體領域的創新和重點，是制造微電子器件和光電子器件的新一代半導體材料，并與碳化硅等半導體材料一并被稱為是繼第一代硅、鍺半導體材料、第二代砷化鎵、磷化銦化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。氮化鎵材料的直接帶隙較寬、原子鍵強、熱導率較高、化學性質穩定（不易被任何酸腐蝕）、抗輻照能力較強，在光電子器件、高溫大功率器件和高頻微波器件生產制造中有著很高的應用價值。

二次離子質譜是利用質譜法分辨一次離子入射到測試樣品表面濺射生成的二次離子而得到材料表面元素含量及分布的一種方法。二次離子質譜儀可以進行包括氫在內的全元素分析，并分辨出同位素、化合物組分和部分分子結構的信息。二次離子質譜儀具有ppm量級的靈敏度，最高甚至達到ppb的量級，還具有進行微區成分成像和深度剖析的功能。

本文使用二次離子質譜儀分析了氮化鎵材料中注入的鉻元素的分布。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

在儀器達到高真空的情況下，對氧離子源生成的一次離子進行加速、純化、聚焦，轟擊氮化鎵待測樣品表面，引出濺射出的二次離子，利用質譜原理將不同荷質比的離子分開，由電子倍增器或法拉第杯記錄并讀取樣品的測試元素與參考元素計數率，采用相對靈敏度因子法進行定量分析[1]。

1.2 實驗儀器和條件設定

實驗使用法國CAMECA公司生產的IMS-4F型動態雙聚焦二次離子質譜儀，該型儀器靈敏度高，深度分辨率高。

根據離子的化學性質，氧離子源比銫源使Cr離子產額更高，使得測試的靈敏度更高，檢測限更低。使用氧離子源產生一次離子束，一次離子能量為15kV。

束流減小至400nA，獲得更高的深度分辨率，使得相同的深度可以得到更多組數據。

將襯度減小至2號，以獲得更高的質量分辨率，減少對Cr離子的干擾。選擇足夠小的視場，使得測試范圍不包含坑沿信號，從而不受表面沾污等干擾，保證較低的檢測限，降低坑沿效應。

通過以上條件得到約50μm的束斑，為了使被測表面足夠平整，掃描面積需大于束斑尺寸的3倍，因此掃描面積選用250μm×250μm。

1.3 樣品選取

將待測樣品切割成邊長為6-8mm正方形，選擇經過拋光的平坦光滑面作為測試面。以已知Cr注入劑量的氮化鎵樣品i0作為標樣（以計算相對靈敏度因子），對i1，i2樣品進行測試。