1、氮化镓光辅助湿法刻蚀后的位错密度估算 X赵智彪 李 伟 祝向荣 齐 鸣 李爱珍(中国科学院上海微系统与信息技术研究所 , 信息功能材料国家重点实验室 , 200050)20010915 收稿 , 20020118 收改稿摘要 : 发展了一种显示与估算氮化镓 (GaN )位错密度的光辅助湿法刻蚀与原子力显微镜相结合的方法。所用 GaN 采用射频等离子体辅助的分子束外延技术 (R F2p lasm aM BE)生长 , 腐蚀液为 KOH 水溶液。结果发现 , 使用 5. 0 M 的 KOH 溶液刻蚀 5 分钟的 GaN , 其 A FM 图谱上出现了非常明显的“小坑” , 且“小坑密度”的量级与G
2、aN 样品的位错密度量级相当。采用 X2ray 衍射的二维三轴图谱 (TD TAM ) 研究 GaN 的马塞克柱状生长与缺陷 , 并延用文献报道的方法估算其位错密度 , 所得位错密度的结果与“小坑密度”一致。验证了“小坑”即为被刻蚀了的 GaN 位错。这样 , 对 R F2p lasm a M BE 生长的 GaN 样品的位错密度估算 , 就多了一个有更广适用范围的测量方法。关键词 : 氮化镓 ; 分子束外延 ; 原子力显微镜 ; 湿法刻蚀 ; X 射线衍射分析中图分类号 : TN 304. 054 文献标识码 : A 文章编号 : 100023819 (2002) 022195204AFM
3、M easurem en t and D islocation D en sity Estimation ofGaN Etched by Photo-assisted KOH SolutionZHAO Zh ib iao L IW ei ZHU X iangrong Q IM ing L IA izhen(S hang hai Institu te of M icrosy stem and Inf orm ation T echnology Ch inese A cad em y of S ciences,S tate K ey L aboratory of F unctional M ate
4、rials f or Inf orm atics, 200050, CH N )Abstract: In th is paper, a new m ethod of dislocation den sity estim ation of GaN by u singw et etch ing and A FM m easu rem en t w as repo rted. U sing pho to2assisted KOH so lu tion, theGaN grow n by R F2p lasm a M BE w as etched and the“ p its” w ere ob se
5、rved in A FM im ages. T heob served“ p its” den sity seem s to be app rox im ated to the dislocation den sity of GaN. F romcom paring the defects in the Tw o2D im en sional2T h ree2A xes2M app ing ( TD TAM ) of X2raydiffraction m easu rem en t to the GaN dislocation den sity by u sing conven tional
6、m ethod, thesam e resu lts w ere ob tained. T h is confirm ed that the GaN dislocation den sity cou ld beestim ated by the“ p its” den sity. T herefo re, a conven ien t m ethod to estim ate the dislocationden sity of GaN grow n by R F2p lasm a M BE w as estab lished.Key words: ga llium n itr ide; m
7、olecular beam ep itaxy; a tom force m icroscope; wet etch ing;X-ray d iffractionPACC: 6855第 22卷 第 2期2002 年 5 月 固体电子学研究与进展R ESEA RCH (b) 1. 0 MKOH 溶液刻蚀 30 分钟 (Rm s= 9. 28 nm ); (c) 10. 0 M KOH 溶液刻蚀 10 分钟 (Rm s= 37. 73 nm )F ig. 2 A FM im ages of GaN etched by KOH so lution: (a) 0. 1 M KOH , 15 m in;
8、(b) 1. 0 M KOH , 30 m in; (c) 10. 0 MKOH , 10 m in(c)的刻蚀条件下 , 尽管刻蚀速率仍然很低 , 但刻蚀效果已经能够被台阶仪探测到 : 氮化镓在被刻蚀部分和未被刻蚀部分的界线处形成一定高度的台阶 ,表明有了一定的刻蚀速率。更重要的是 , 其 A FM图谱上出现了引人注目的深色“小坑” , 并且还有一些看起来也象“小坑”的深色区域。出于对这些“小坑”的关注 , 实验比较了其它刻蚀条件下的 A FM 测量结果 , 发现使用 5. 0 M 的KOH 溶液刻蚀 5 分钟的氮化镓表面 , 其“小坑”的深度和分布最均匀 , 且“小坑密度”在 108 10
9、9cm - 2量级 , 这与业已熟知的氮化镓位错密度在同一个量级。图 3 给出 5. 0M KOH 溶液刻蚀 5 分钟后的氮化镓 A FM 表面形貌图。在图 3 中 , (a)是刻蚀前的氮化镓表面形貌 , 其表面很平整 , 均方根粗糙度 (Rm s)只有 3. 7 nm。这种表面平整的氮化镓样品 , 通常也是晶体质量较好的必然结果 , 这可以由本文实验部分提到的 XRD测量结果所证实。 (b) 是氮化镓被 5. 0 M KOH 溶液刻蚀 5 分钟后的 A FM 平面图 , Rm s= 56. 8 nm。表面的粗糙度大大增加 , 表面刻蚀发生的不均匀性。从图 3 的 (b) 中可以清晰看到 ,
10、造成表面粗糙度增加的原因 , 是刻蚀后 A FM 图谱中出现的深色“小坑”。这些区域发生刻蚀的速率要大于其它区域 , 表明这些小坑是包含缺陷的氮化镓分子序列部分 , 最常见的缺陷就是位错 (D islocation)。根据You tsey 等人的报道 5 , 使用 M OCVD 技术生长的氮化镓 , 不经刻蚀其 A FM 表面形貌图上就可以看(a)(b)图 3 氮化镓刻蚀前后的 A FM 图 (2 2 Lm 2): (a) 氮化镓刻 蚀 前 的 A FM 图 (Rm s = 3. 7 nm ); ( b ) 被5. 0 M KOH溶液刻蚀 5 分钟 (Rm s= 56. 8 nm )F ig.
11、 3 A FM im ages of GaN (2 2 Lm 2): (a) unetched;(b) etched 5 m in by 5. 0 M KOH791 2 期 赵智彪等 : 氮化镓光辅助湿法刻蚀后的位错密度估算 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.到“小坑”。并认为 : 这些“小坑”是氮化镓材料中位错延伸到表面的终端 6 。 A FM 形貌图看到的小坑 ,应该是在氮化镓外延生长过程中形成的螺线位错及其它交叉位错混合体 5 被刻蚀后的结果。包含为错的氮化镓分子序列被优先刻蚀 ,
12、 这可以从图 4 所示的刻蚀发生机理的示意图来理解 2 4 。图 4 高缺陷的氮化镓被优先刻蚀F ig. 4 T he p rio rity etch ing w as occurred at the GaNregions containing dislocation在激光照射的条件下 , KOH 溶液中的氮化镓发生如下反应 :2GaN + 6h+ 2Ga3+ + N 2包含位错的氮化镓更容易产生大量的光生空穴 , 从而大大促进了溶解的发生 , 从而引起表面刻蚀的不均匀性 , 表现为 A FM 图谱上的“小坑”。从这个刻蚀机理出发 , 有理由假设 : A FM 图谱上看到的“小坑” , 就是被
13、刻蚀了的氮化镓位错 , 那么 ,“小坑”的密度就应该能够代表氮化镓的位错密度。对 R F2p lasm a M BE 生长的氮化镓样品 , 刻蚀前的 A FM 形貌图上 (图 3 中的 a 图 ) 几乎看不到“小坑” , 或是刻蚀后出现的“小坑”并不明显 (图 2中的 a、 b 图 )。这可能是由于在分子束外延的生长技术中 , 和 M OCVD 技术相比 , 更易于控制化学计量比和获得平整表面的缘故。但当使用 5. 0 M 的KOH 溶液刻蚀 5 分钟 , 表面一层氮化镓被刻蚀掉以后 , 其 A FM 的图谱上就出现了清晰的“小坑”。这一实验结果表明 , 对于使用 R F2P lasm a M
14、 BE 生长的氮化镓样品 , 存在一个较佳的刻蚀条件 , 在这个条件下 ,“小坑”的出现最为清晰、均匀。对深度超过 5 Lm 的“小坑”进行统计 , 得到的“小坑密度”为 9. 46 108 cm - 2。由于所选的氮化镓样品 , 其晶体质量能够满足 XRD 的 TD TAM 测量的要求 , 如果 TD TAM 估算得到的位错密度值与“小坑密度”值一致 , 就可以验证“小坑密度”确实能够表征氮化镓的位错密度。图 5 氮化镓 X 射线衍射的二维三轴图谱F ig. 5 TD TAM im age of GaN图 5 为该氮化镓 XRD 的 TD TAM 测量图谱。通过 X 射线摇摆曲线与二维三轴图
15、谱来估算晶体的位错密度是基于马赛克模型理论 7 。这种理论认为 : 一个大的晶体是由许多小块组成的 , 这些小块被称为“马赛克”块 , 不同马赛克块之间由缺陷 (通常是位错 )隔离 , 马赛克中的缺陷忽略 , 这就导致了样品在垂直与平行于外延平面方向上存在晶体质量的差异。由图 5 的 M app ing 图谱看到 : 沿 X 方向 , 即平行于外延生长面方向的扩展 (0. 0815 ) 要比 X 2H方向 , 即垂直于外延生长面方向的扩展(0. 00699 ) 大一个数量级以上 , 表明该氮化镓样品在平行衬底方向要比垂直衬底方向的晶体质量相差很多。于是由马赛克造成的不对称性可以近似的认为 :
16、只是在平行于外延生长面的方向上 , 由位错形成的缺陷墙把晶体分割成大小不同的马赛克块。根据文献 7 的一系列推导代换 , 最后得到位错密度的估算公式为 :D B = BAst 2Pln2式中 BA= 0. 08152- 0. 006992 , s 为 112- 0晶向晶格常数的三分之一 , t 为 0. 4 微米 7 。由此得到氮化镓的位错密度的计算值约为 1. 0 109 cm - 2。通过 TD TAM 估算位错密度以及对 A FM 图谱上“小坑密度”的统计 , 两者的数值如此地一致 ,证实了 A FM 图谱上的“小坑”即 (下转第 222 页 )891 固 体 电 子 学 研 究 与 进
17、 展 22 卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.9 Feng W , W ang Y, W ang J, et al. Ro le of arsenicclusters in carrier recom bination in low 2temperaturegrowm A lGaA s GaA s m ultip le quantum w ells. A pp lP hy s L ett, 1998; 72: 1 46310 Beernink K J , Sun D D , T re
18、at W , et al. D ifferentialA l2Ga interdiffusion in A lGaA s GaA s and A lGa InP Ga InP hetero structures. A pp l P hy s L ett, 1995; 66:3 59711 L ook D c, W alters D C, M anasreh M O , et al.A nom alous H all2effect results in low 2temperaturemo lecular2beam 2ep itaxial GaA s: Hopp ing in a denseEL
19、 22like band. P hy s R ev B , 1990; 42: 3 57812 Johnson E J , Kafalas J A , D avies R W. T he ro le ofdeep2level centers and compensation in p roducinginsulting GaA s. J A pp l P hy s, 1983; 54: 204韩英军 (HAN Y injun) 男 , 26 岁 , 毕业于西北工业大学自动控制系 , 现就读于中国科学院物理研究所 , 主要从事 2 族半导体材料的生长和物性测量。(上接第 198 页 )为被刻蚀了
20、的氮化镓位错 , 其密度即为氮化镓的位错密度。4 结束语综上所述 , 通过对 R F2P lasm a M BE 生长的氮化镓进行激光辅助的湿法刻蚀 , 利用 A FM 测量的表面形貌结果 , 同样可以表征氮化镓晶体的位错特性。这不但丰富了位错密度特性的测量 , 而且突破了 TD TAM 测量范围的要求 , 对一般晶体质量的氮化镓也建立了位错密度表征的手段 , 为氮化镓生长工艺的优化提供了更多参考依据。参 考 文 献1 R eena Khare, Evelyn L H u. Dopantselectivepho toelectrochem ical etch ing of GaA s Homo
21、 structures.J E lectrochem S oc, 1991; 138: 1 5162 M insky M S, W h ite M , H u E L. Room 2temperaturepho toenhanced w et etch ing of GaN. A pp l P hy s L ett,1996; 68: 1 5313 Youtsey C, Bulm an G, A desida I. Pho toelectrochem icaletch ing of GaN. M at R es S oc S ym p P roc, 1997; 468: 3494 Youtse
22、y C, Rom ano L T , A desida I. Gallium nitridew h iskers fo rm ed by selective pho toenhanced w etetch ing of dislocations. A pp l P hy s L ett, 1998; 73: 7975 Youtsey C, Rom ano L T , M o lnar R J, et al. R ap idevaluation of dislocation densities inn2type GaN film susing pho toenhanced w et etch i
23、ng. A pp l P hy s L ett,1999; 74: 3 5376 T arsa E J , H eying B , W u X H , et al. Homoep itaxialgrow th of GaN under Ga2stable and N 2stableconditions by p lasm a2assisted mo lecular beam ep itaxy.J A pp l P hy s, 1997; 82: 5 4727 Yang Q K, L i A Z, Zhang Y G, et al. Grow th andmo saic model of GaN
24、 grow n directly on 6H 2SiC (0001)by direct current p lasm a assisted mo lecular beamep itaxy. J G ry stal G row th, 1998; 192: 28赵智彪 (ZHAO Zh ibiao) 男 , 1997 年毕业于北京大学化学系 , 现为中国科学院上海微系统与信息技术研究所 (原名 : 中国科学院上海冶金研究所 ) 在读博士研究生。微电子学与固体电子学专业 , 主要从事氮化镓基的 R F2p lasm a 分子束外延的材料生长、特性研究及其器件工艺等研究工作。222 固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 22 卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
