AlGaN/AlN超晶格结构X射线衍射的拟合计算外文翻译资料

 2022-11-22 11:11

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论文翻译

1.介绍

目前对氮化物的兴趣始于20世纪90年代初关注于它的第一高效,长寿命蓝色发光二极管(发光二极管)[ 1 ]和蓝光激光器[ 2 ]。此后,兴趣于这种材料系统发展迅速已提高设备效率。X射线衍射(XRD)是一种非破坏性的技术,用于寻找的厚度,晶格参数,应变,组合物和III氮化物层的缺陷密度和器件结构。然而,III氮化物的XRD的信息被广泛传播在文献中,使许多研究人员很难寻找X射线衍射方法的信息。在这回顾,简要概述XRD的原理,综述当前领域的发展和突出方向未来发展。读者可以直接移动到感兴趣的话题,但第2节特别提供新领域人士(基本单位知识)细胞和Miller指数假定)。解释如下最适用的简单运动学理论的目的,虽然这打破了在低角度和非常完善的样本(大多数商业模拟软件)采用全动力理论。为了更好地理解X射线衍射半导体应用理论与实践导论结晶学教材[ 3 ]和X射线衍射[ 4 ]建议,其次是更深入的作品富斯特[ 5 ]Pietsch,HOLacute;Y和鲍姆巴赫[ 6 ]。Bowen和Tanner的最新著作[ 7 ]提供了一个明确的介绍适用于半导体材料的X射线方法及其应用以前的书[ 8 ]也是有用的高分辨率XRD。III族氮化物的XRD提出了独特的挑战表征。大多数III氮化物薄膜和器件生长在衬底上,如蓝宝石,硅或碳化硅,因为InN的单晶,GaN和AlN不能生长容易或便宜。这种异质外延生长的结果通常在高层次的薄膜应变,无意掺入杂质和点缺陷的产生和扩展位错或堆垛层错等缺陷。显著,III氮化物器件仍然执行效率,尽管这些III族氮化物薄膜的缺陷与XRD分析非常有效,尽管存在相对较低,广泛衍射峰,多缺陷类型和(通常)一个球形的晶片的曲率。相反,XRD是III族氮化物的理想选择表征由于其非破坏性,高应变灵敏度、快速分析和代表性结果。我们现在简要讨论这项技术的原理。

2.基础

2.1.衍射与倒易空间

射线衍射涉及探测晶体与X射线有一个波长的辐射(lambda;)接近晶间距,如图1所示。X射线是由用电子轰击金属(通常是铜)真空管[ 4 ]和单色X射线通常挑选出来的.这些X射线是由电子云散射的围绕晶体中的每个原子。建设性的干扰发生散射X射线时的路径差AB(Nlambda;)是相当于2D的罪theta;(图1)。这是基布拉格定律,它涉及的“飞机”之间的间距

衍射发生的原子(d)的角度(theta;)在入射的单色光束必须探

平面给予构造干扰:

nlambda; = 2d sin theta;。(2.1

实验2theta;角度测量。水作为一个三维衍射光栅,作为样品和/或探测器被移动,一个3D阵列的衍射极大值可以被调查。每一组晶面都会产生衍射光斑,衍射的位置和形状与晶体间距成反比的点平面和晶粒尺寸。水晶面与实际空间和衍射斑点相关倒数空间;后者形成三维倒数格。从晶体中构造倒易点阵,与每个晶面相关的倒数点阵点绘制。这是通过选择原点和绘图一个远离原点的矢量,在法线方向上

到一组特定的晶面。这个大小向量是1 / d,其中d为晶面间距。一点绘制在向量的端点。这是重复为每个集的平面,直到一个周期的点阵列已建成起来。其结果是,方向保持不变,在真实和倒数空间,但距离是倒。任何因素改变晶面间距变化的位置衍射斑点。在图2的例子中,齐压缩平面应变将增加外平面(0 0 0 2)晶面间距在GaN(由于泊松晶体的响应),从而减小距离0空间中0点0点的原点。六晶体系统,一四指数(香港岛航线)符号是常用的[ 9 ]。额外的冗余指标,等于minus;(H K),有助于显示平面如当量(1 1 2 0minus;)和(minus;2 1 1 0)。一表1给出了符号约定的摘要。

衍射也可以在上下文中示出倒易点阵。如果事件(K0)和衍射(KH)梁向量使适当的角度相对于晶体,散射矢量(S,等于KHminus;K0)会结束的倒数点阵点(图1(b))。散射矢量是“探测”用于研究的倒数晶格和其长度可以通过改变角度2theta;改变。方向,方向S是通过改变omega;扫描,其中角入束与样品表面的omega;(价值有所不这theta;-入射光束在晶体符合当平面与样品表面不平行时。因此,它可以有助于认为互惠晶格坚持的晶体,如果晶体移动相对于入射光束,那么倒数晶格。因此,我们可以研究不同领域的倒数空间,首先通过改变晶体取向,然后通过改变长度的探针通过改变角度omega;和2theta;埃瓦尔德球体建设往往是用来说明同一向量与一个球体一起显示1半径/lambda;(中心在入射光束的矢量的开K0)。这个球体显示了我们可以在哪一部分的倒易空间探讨的,给定一个特定的波长和角度theta;lambda;作为theta;增加的散射矢量的长度增加到最大长度的2 /lambda;(长一事件的载体K0)。球体触及点的地方,衍射现象。

不是所有的衍射点都可以访问。大(diffractometer”)图2循环显示的外限可以达到的一个给定的lambda;和最大theta;。一抵消omega;可以应用(偏移=theta;plusmn;omega;)但是灰阴影区showregions在samplewould块输入或传出光束。然而,替代几何可用于。图2阴影区域可在传输几何(如果X射线束能穿透基材和薄膜)。最常见的,若要访问图2中页外的点,则样品旋转90◦约phi;和chi;偏移是用来斜对称(图3)。这些偏移量可以计算使用标准方程面角度的[ 4 ],经常纳入数据收集软件。斑点的表面上的样品可以访问与放牧入射衍射(几乎面内散射)的讨论4.2.3节)。如需进一步讨论,请参见富斯特[ 5 ]和Pietsch,HOLacute;Y和鲍姆巴赫[ 6 ]。实际上,晶体很少会产生非常尖锐的衍射现象斑点。相反,点扩大在互惠空间通过微观结构的缺陷,由仪器分辨率和样品的宏观尺寸和形状(如晶片)弯曲)。

倒易空间加宽(XRD测量)扫描可以被定义为S,其中的散射矢量s = 1/d = 2(sintheta;)/lambda;. 实际样本原因根据下面的扩大空间关系而扩大由于有限的大小(L)不变化从原点的距离(它是独立的S),展宽的格的倾斜和扭曲(alpha;)、应变(ε定义为D / D)或组合物/应变梯度将增加随着距离的增加从原点(这是依赖在S上,如图4所示。在这种情况下,有限大小指短X射线相关长度,通常产生由于晶粒尺寸小,平均间距较短位错或有限的膜厚(真实的小特征)在倒易空间中对应一个大特征的空间。“微观”是指小应变的变化,由于,因为例如位错。“倾斜”和“扭曲”进一步讨论在第4节。注意,横向显微扩大呢不影响对称反射,因为从这些出现没有侧向分量。晶片的曲率也扩大沿固体弧中心点原点。此外,位错,堆垛层错和点缺陷可以有助于弱漫散射周围的每个点。

2.2.衍射仪

通过旋转探测器可以研究相互空间衍射仪中的样品。一般的计包含一个X射线源和一个探测器随着事件和/或衍射光束调节器(如狭缝限制光束发散和单色仪过滤掉多余的

波长)。虽然大多数X射线探测器是线性的sim;105脉冲每(CPS),自动减震器可以拟合的线性范围扩展到107厘泊或更高(动态范围大于105厘泊是至关重要的一些研究)。最常见的是,晶格参数测量需要,需要在高2theta;角度测量,具有低角度发散的单色光束,[ 10 ]:

其中D是晶面间距d的精度,lambda;波长的辐射传播,delta;是入射光发散和2theta;是衍射角。低delta;在研究扩大相互空间时需要。显然,一个能够提供低delta;和衍低lambda;是必需的标准粉末衍射仪(delta;发散光通常sim;0.5◦)具有相当的lambda;,随着extrakalpha;2Kbeta;andwlines,降低分辨率,使它很测量衬底峰附近的弱峰(图5(a))。它优化,以提供高强度数据的非面向样本和不允许相互空间映射为当样品倾斜时,光束失去焦点。面向样品抛物线折射梯度多层镜可以用于将发散光束转换成几乎平行的光束(0.03◦delta;),从而降低了扩大和增加强度(通常为10倍)。对于大多数GaN工作高分辨率(HR)衍射仪是必需的(图5(b))。这些有一个主单色仪消除不必要的波长,减少和降低lambda;delta;为0.003◦低随着一个开放的探测器,这形成了一个“双轴”仪器。然而,在探测器之前加入一个分析器晶体定义2theta;方向给出了三轴2theta;分辨率好,但强度较低(图6)在此设置中,角度2theta;可以在绝对测规模。

2.3.扫描类型

典型“四圈”旋转的样本轴衍射仪如图7所示,具有不同的扫描表2中总结的类型,如图8所示。omega;-扫通过扫描衍射斑点测量薄膜质量用位错和晶片曲率检测加宽(图8)。omega;–2theta;或2theta;–omega;扫描探针的衍射光一个方向,一般较少扩大,这些扫描晶格需要增加散射矢量)参数的确定。两omega;和omega;–2theta;扫描可以被称摇摆曲线,因为两者都涉及摇摆样品有关的omega;轴(这有时会引起混乱)。这两种类可以执行带或不带分析仪,但不同相互空间的体积将被采样(图6)。穿透深度可以定义在不同的方式[ 10 ],但计算出的路径长度p的光束

5.1半导体量子阱结构(SQWs)

一个半导体量子阱结构(如图21所示)的特点是三要素:阱组成(通常按术语定义的ln或Al的摩尔分数x),井厚(tw)和封盖层厚度(tc)。然而,从单量子阱衍射图(如在omega;–2theta;扫描看到)只有由两个因素决定,总厚度(tw tc)和平均成分(xtw/{tw tc}))的封盖层。一个典型的SQWomega;–2theta;扫

描如图21所示

图21。使用分析器0 0 0 2 2theta;omega;–扫描–GaN InGaN单量

晶体获得的。插图显示的SQW示意图。零阶峰值位置(如图所示)由阱和势垒的平均晶格参数确定。条纹间距(如图所示)与井的总厚度有关(tw)和覆盖层(tc)。

总厚度和平均成分组成影响主单量子阱峰的位置变化。主量子阱峰位置也将转移到层峰之下,由于SQW强度叠加在相邻峰的尾部。因此,为了提取可靠的信息,分散的剖面必须模拟和比较实验数据。不幸的是,基于x,tw和tc的不同组合的模拟可以给出类似的实验数据。理想的情况下,一个变量可以使用技术,所以一个变量是已知的。这样,剩下的两个变量可以使用模拟被准确地识别确定。识别一个变量最方便的方法是使用X射线反射率(2节)发现的量子阱的厚度tw。

由于X射线从量子阱的顶部和底部和反射样品表面干涉可以在低角X射线反射率扫描中观察到单量子阱结构。这些振荡通过减去菲涅耳散射(背景强度)可以更容易地观察到,也可以近似通过多项式表达式。这些的间距(周期)干涉条纹随着覆盖层厚度tc降低而增加。振荡振幅随tc的增大而增大和由于单量子阱层和底层的增长而出现成分组成的差异。

振荡下降到零的位置在omega;0(出现单量子阱从顶部和底部X射线反射的相消干扰),这只与单量子阱厚度联系非常紧密。在关于单量子阱结构和组成中的影响,可以使用振荡来帮助生成和调整模拟反射率数据使实验数据更加适合有效。这可以通过比较与一系列的模拟低角反射率扫描不同TW和TC结构的生成实验结果来实现。然而,由于III型氮化物样品的曲率和粗糙度相对较高,要想获得高品质的实验数据,就变得更加有挑战性。如果是这样的话,那么减小光束尺寸非常有用的,如生长较厚的封盖层。虽然以前推荐使用高角度反射,在这里低角0 0 2反射常用是因为需要更大的强度,以可以测量到相对较弱的峰。

5.2多量子阱(多量子阱)

多量子阱用于III族氮化物发光二极管和激光结构。大多数文献报道讨论InGaN/GaN多量子阱,用在绿色、蓝色和具有高内部量子效率的近紫外发光二极管商业制造中。然而,InGaN/AlGaN结构(AlGaN阻挡层可以提供更好的载流子限制),与AlGaN/GaN和AlInGaN基结构也被用于受欢迎的紫外线发射器制造中。

超晶格的散射(包括MQWs)可以跟光栅的散射类比理解,与厚度条纹的数目多少和重叠有关(参见第2.4节和其中引用)。就像SQWs,一个量子阱结构的特点是由三个因素:井组成(x),井厚(TW)和屏障厚度(TB)。它通常更容易从MQWs中获得X射线数据总厚度越大,X射线数据更精简和强度更加大。

图22。0 0 0 2 2theta;扫描omega;–AlGaN–GaN量子阱(重复10次带(a)开探测器(无分析器)和(b)分析晶体。宽条纹间距与每个阱 屏障的厚度有关(tw tb),而较窄的边缘间距涉及到总超晶格结构的厚度,这是10 times; (tw tb)

此外,偏离这个理想的模型数据的影响,往往可以描述。一个对10倍重复AlGaN/GaN量子阱材的非典型omega;–2theta;扫描,显示在图22。至于单量子阱结构SQWs,散射图包括零阶峰值移动与超晶格中的平均组成成分。这是相关的的组合物的阱(DW)、障碍(DB)及他们各自的厚度(TB)和(TW),并给出了一个峰间隔公式:

使用第2.4节给出的方程,总重复厚度T=(tw tb)可以从相邻的超晶格峰角分离得到,而从更紧密的中间峰给出总厚度。一个重复少的多量子阱结构将有更广阔的厚度条纹和超晶格峰。峰也会有较低的强度相对于衬底峰和更低的超晶格峰可以从背景和杂质区分。因此,许多重复的多量子阱结构更容易分析,以

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