异质外延生长的氮化镓晶体的位错密度测定方法技术

本发明专利技术涉及一种异质外延生长的氮化镓晶体的位错密度的测定方法，特征在于用光辅助湿法刻蚀结合原子力显微镜对刻蚀的表面位错腐蚀坑密度统计，测出ＧａＮ外延层的位错密度；其具体测定步骤是：（１）先按照异丙醇、丙酮、乙醇的顺序对ＧａＮ样品进行化学清洗清洗后用大量去离子水洗净，用高纯Ｎ＃－［２］吹干；（２）将样品用石蜡或夹子固定在载玻片上，放入盛有１－１０ＭＫＯＨ溶液中，采用磁子搅拌，在Ｃｄ－Ｈｅ激光器提供的激光照射下，进行湿法刻蚀，时间为５－１０分钟；（３）取出刻蚀样片，用去离子水清洗，高纯Ｎ＃－［２］吹干，然后用原子力显微镜，进行刻蚀表面的位错腐蚀坑统计，估算出ＧａＮ外延层的位错密度。本发明专利技术提供的位错密度测定方法可靠、有效，与其它方法，如ＸＲＤ位错密度估算方法相比，一致性好。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及氮化镓(GaN)异质外延层的位错密度的测定方法，更确切地说是用光辅助湿法刻蚀结合原子力显微镜的表面位错腐蚀坑统计，进行GaN外延层位错密度的估算方法，属于半导体材料位错密度表征领域。由于GaN体单晶很难获得，所以目前GaN材料的生长主要通过在蓝宝石(sapphire，α-Al2O3)衬底上进行异质外延的手段获得，最主要的外延生长技术有MOCVD(金属氧化物化学沉积)、MBE(分子束外延)以及HVPE(卤化物气相外延)等。由于异质外延的蓝宝石衬底与GaN外延层存在很大的晶格失配(16％)和热胀失配，所以不可避免地会在GaN外延层中引入大量的位错，从而严重影响外延层的质量。因此，对生长获得的GaN外延层位错密度进行直接地测量和估算，对生长工艺地优化从而提高外延层晶体质量有着重要意义。目前对外延层GaN位错密度的主要表征手段是透射电子显微镜(TEM)，但测试样品制备十分复杂，从而影响表征应用。另一种重要的位错密度表征手段是通过X射线晶体衍射(XRD)来估算，但需要在材料已经具有较好的晶体质量并满足测量要求的前提下才能进行位错密度的估算，这就不利于材料生长的初始研究。因为在材料生长条件优化的过程中，往往是晶体质量并不理想而不能满足XRD位错密度估算测量的要求，而位错密度的信息又是优化生长条件的重要参数，因此建立对GaN外延层位错密度表征的方法对材料生长研究具有重要意义。光辅助的刻蚀技术包括湿法和干法两个系列。由于光辅助的湿法刻蚀技术不存在对材料表面的损伤，所以在等离子体干刻蚀技术发展的同时，这种技术也迅速发展起来。光辅助的湿法刻蚀近几年来报道很多。光的引入使得在被刻蚀材料表面产生额外的少子，从而加速了刻蚀进程(Mark N.Ruberto，et al.，J.Electrochem.Soc.138，1174(1991))。这种刻蚀方法的特点是通过调节光照强度来控制对半导体材料的刻蚀速率。应用在光电子器件和电子器件的工艺中，得到了几个重要的结果如不用光刻掩膜板而用投影图象，通过光辅助刻蚀，同样可以刻蚀出图案；再如，由于刻蚀速率依赖于光照，从而在深度刻蚀后，仍然在图样范围内可得到平整的外形，这为器件设计提供了更加广阔的天地。此外，光辅助的刻蚀进程中，或者是载流子的扩散和迁移，或者是光照系统的解析功率，都对横向溶解也有了更多限制。M.S.Minsky等人较早地报道(Appl.Phys.Lett.68，1531(1996))了室温下激光辅助的湿法刻蚀GaN技术。他们使用Cd-He激光器(λ＝325nm)做辅助光源，腐蚀液分别使用HCl∶H2O(1∶10)和45％KOH∶H2O(1∶3)，后者的刻蚀速率达到了～4000/min。与其相似，C.Youtsey等人同样用无偏压的电化学腐蚀装置，使用汞灯做光源，0.04M的KOH溶液，对n型GaN也得到了很好的刻蚀速率＞300nm/min(调制光强度在365nm处为50mW/cm2)(Appl.Phys.Lett.71，2151(1997))。光辅助的湿法刻蚀刚刚发展起来时，被认为是解决GaN刻蚀工艺的最佳侯选。但随GaN极性的研究，这一技术又逐步成为判断GaN外延层极性的有效而快捷手段。能否用这种方法再配以其它手段进行GaN外延层位错密度的估算方法的尝试，在本专利技术之前鲜有报道。通过对GaN光辅助湿法刻蚀的研究，结合原子力显微镜表面形貌的测量，建立的快捷估算GaN外延层位错密度的具体步骤如下(1)对异质外延获得的GaN样品进行常规的化学试剂清洗，以去除样品表面的沾污先按照异丙醇、丙酮、乙醇的顺序清洗后用大量去离子水洗净，并用高纯N2吹干；(2)将样品用石蜡或夹子固定在载玻片上，放入盛有1-10M KOH溶液的烧杯中，采用磁子搅拌器以提高反应发生的速率，在Cd-He激光器提供的激光照射下，进行湿法刻蚀，时间为5-10分钟，根据样品特性的不同，可以选择是否在反应时加热，通常氮极性的GaN样品不需加热，镓极性的GaN样品，可采用50-100℃的加热，以促进反应；(3)将刻蚀后的样品取出，用去离子水清洗，高纯N2吹干后进行原子力显微镜的表面形貌测定，在腐蚀后的GaN表面形貌平面图上会出现分布均匀的深色“小坑”，即位错腐蚀坑；(4)对“小坑”密度进行统计，得到GaN外延层的位错密度估算结果。对不同样品，可以通过调节腐蚀液浓度、腐蚀时间、反应温度来获得位错坑。通常，对氮极性的GaN样品，可以选择1-5M的KOH溶液，在不加热的条件下反应5-10分钟；对镓极性的GaN样品，可以选择10M的KOH溶液，在50-100℃加热条件下反应10分钟。对极性未知的样品，先进行表面形貌的测定，然后用0.1M的KOH溶液，在不加热的条件下反应5分钟，再测表面形貌；如果前、后两次测得的表面形貌差异较大，就按照氮极性样品的条件再次腐蚀，测量；如果前、后两次测得的表面形貌几乎没有区别，就按照镓极性样品的条件处理。附图说明图1给出了光辅助湿法刻蚀GaN的装置示意图。使用Cd-He激光器作为光源(λ＝325nm，密度为55-65mW/cm2)，光斑直径1.0mm。待刻蚀的GaN样品粘贴在载玻片上，放入盛有1-100M KOH溶液的烧杯中，烧杯置于加热台上。进行反应时使用电磁搅拌，图1左上圆圈部分为反应部位放大后的示意图。在激光照射和腐蚀液(以及加热)作用下，发生下列反应由于包含位错的GaN分子序更容易产生光生空穴，从而促进溶解的发生，表现为在原子力显微镜下可以观察到被腐蚀了的“小坑”。这些“小坑”就是被刻蚀了的GaN位错。通过对小坑密度的统计，就可以便捷的估算出GaN外延层的位错密度。本方法的主要特点是方便快捷、适用范围广。对不能满足XRD的测量要求的较差晶体质量的GaN样品，本方法仍然能够获得位错密度的信息，这就为材料生长研究提供了更多参考。对采用射频等离子体辅助的分子束外延技术生长获得的GaN样品进行光辅助湿法刻蚀并通过原子力显微镜测量表面形貌后，估算获得了该样品的位错密度值。图2给出原子力显微镜测得的一个GaN样品的表面形貌图(2μm×2μm)。其中(A)是未进行光辅助湿法刻蚀的样品表面形貌，(B)为使用5.0M KOH刻蚀5分钟后的表面形貌图，图中的深色区域即为位错被刻蚀后留下的坑。对位错坑密度进行估算，得到该GaN样品的位错密度为9.5×108cm-2。通过XRD测量，该样品具有较好的晶体结构，能够满足二维三轴图谱(TDTAM)的测量要求，进而可以通过XRD的位错密度估算来验证本专利技术的可靠性。图3给出该GaN样品的二维三轴图谱。由Q.K.Yang等人(J.CrystalGrowth，192，28，1998)提供的计算方法得到该样品的位错密度为1.0×109cm-2。此结果与本方法估算的结果一致，由此进一步证明了本方法可靠、有效。1—载玻片2—KOH溶液3—烧杯 4—GaN样品5—磁子(搅拌器) 6—加热台7—Cd-He激光器(λ＝325nm)图中左上圆圈部分为GaN样品发生反应的俯视图。图2是GaN刻蚀前后的原子力显微镜表面形貌图。扫描范围2μm×2μm，刻蚀样品为使用射频等离子体分子束外延技术，以蓝宝石为衬底，生长获得的厚度为1μm的GaN。(A)是未进行光辅助湿法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种异质外延生长的氮化镓晶体的位错密度测定方法，其特征在于用光辅助湿法刻蚀结合原子力显微镜对刻蚀的表面位错腐蚀坑密度进行统计，测定出ＧａＮ外延层的位错密度。

【技术特征摘要】
1.一种异质外延生长的氮化镓晶体的位错密度测定方法，其特征在于用光辅助湿法刻蚀结合原子力显微镜对刻蚀的表面位错腐蚀坑密度进行统计，测定出GaN外延层的位错密度。2.按权利要求1所述异质外延的氮化镓晶体的位错密度测定方法，其特征在于具体测定步骤是(1)对GaN样品进行化学清洗，先按照异丙醇、丙酮、乙醇的顺序清洗后用大量去离子水洗净，再用高纯N2吹干；(2)将样品用石蜡或夹子固定在载玻片上，放入盛有1-10M KOH溶液中，采用磁子搅拌，在Cd-He激光器提供的激光照射下，进行湿法刻蚀，时间为5-10分钟；(3)取出刻蚀样品，用去离子水清洗，高纯N2吹干，然后用原子力显微镜进行表面形貌测定，进行表面位错腐蚀坑统计，估算出GaN外延层的位错密度。3.按权利要求2所述异质外延生长的氮化镓晶体的位错密度测定方法，其特征在于氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐鸣，李爱珍，赵智彪，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]