eng
Выпуск #7/2013
Th.Dieingv
Конфокальная рамановская 3D-визуализация высокого разрешения нитридов III группы
Конфокальная рамановская 3D-визуализация высокого разрешения нитридов III группы
Просмотры: 2818
Требования к надежности электронных компонентов высоки, потому важно получение детальных сведений о свойствах кристаллических структур полупроводниковых материалов. Обычно для определения толщины пленок, параметров кристаллической решетки и испытаний деформированных состояний слоистых структур применяется рентгеновская дифракция, а для исследования поверхностей и дефектов конструкции, позволяющих установить хронологию роста кристаллов, – растровая электронная микроскопия. В статье представлены результаты исследований методом конфокальной рамановской 3D-визуализации, который позволяет выявлять деформацию и изменения в структуре кристаллической решетки.
Теги: crystal lattice parameters gallium nitride raman spectroscopy нитрид галлияи параметры кристаллической решетки рамановская спектроскопия
В качестве образца использовался слой нитрида галлия толщиной 20 мкм, выращенный металлорганической газофазной эпитаксией (МОГФЭ), с последующим созданием хлорид-гидридной газофазной эпитаксией (ХГФЭ) нароста на кристаллической плоскости структурированной сапфировой подложки (ССП). Образцы выращены в берлинском Институте
им. Ф.Брауна (Германия). Подложка структурирована ионно-лучевой литографией с последовательным шаговым экспонированием с помощью чувствительного к i-линиям негативного фоторезиста KMPR 1000 и ионным травлением индуктивно-связанной плазмой (ИСП). Глубина ячеистой структуры составляет 4,5 мкм, ширина выступов – 3,5 мкм, а питч (ширина ячейки) – 12 мкм. Данная конструкция характерна для светодиодов; она позволяет повысить квантовую эффективность или работать как встроенные отражатели для улучшения излучения света [1].
Нитрид галлия выращен в углублениях и на гранях выступов в нижней части образца структурированного сапфира. Слой нитрида галлия проявляется в слабом контрасте изображения. Плотность ступенек расщепления (структурных дефектов) больше в нитриде галлия, выращенном непосредственно на поверхности сапфира в углублениях или в верхней части выступов. На рис.1 показаны РЭМ-изображения полученных структур.
Экспериментальные измерения
Образцы анализировались с использованием конфокального рамановского микроскопа alpha 300R+ и Nd:YAG-лазера с удвоенной частотой (длина волны 532 нм). Свет направлялся через одномодовый волоконный световод и выводился на образец через дихроичное зеркало, а также объектив с числовой апертурой 0,9 и увеличением 100×. Для собирания луча после рэлеевского рассеяния применялся щелевой фильтр, а в качестве конфокального отверстия использовалось оптоволокно с диаметром сердцевины 50 мкм. Это обеспечило хорошее разрешение по глубине. Затем свет направлялся в спектрометр UHTS300 с дифракционной решеткой 1800 штрихов/мм (BLZ 500 нм) и EM-CCD-камерой. Двухкоординатное позиционирование при сканировании выполнялось пьезоэлектрическим устройством, а для управления фокусировкой использовался шаговый двигатель с шагом 10 нм.
Рамановские спектры были записаны глубинным сканированием вдоль оси образца (240×80 точек на области размером 60×20 мкм) (рис.2). Трехмерные изображения дополнительно анализировались (180×45×20 точек при "объеме" сканирования 60×15×20 мкм), на каждом пикселе записывался спектр, время интеграции составляло 20 мс/спектр. С помощью ПО WITec Project Plus спектральная информация выводилась в виде рамановских изображений с цветовым кодом. В результате были получены рамановские 3D-изображения по всему объему образца.
Для получения спектральной диаграммы высокого разрешения съемка выполнялась с увеличением 100×. Разные цвета углублений в структуре объясняются различиями в интерференции белого света, зависящей от расстояния между передней поверхностью выращенного в углублениях нитрида галлия и нижней поверхностью его сросшегося слоя.
Анализ спектральных характеристик образца
Глубинным сканированием выявлены три участка образца. На рис.3а представлено рамановское изображение, полученное при спектрозональной съемке, а спектры соответствующих цветов показаны на рис.3б.
Спектры в областях пурпурного цвета типичны для нитрида галлия [2]. На участках зеленого цвета, соответствующих граням выступов, можно увидеть повышенную флуоресценцию (в основном в диапазоне низких волновых чисел) (рис.3б). На спектральной характеристике расположенных над углублениями областей красного цвета заметно снижение пика до 735 см–1, при этом наблюдается размытый максимум. Сдвиг и размытость пиков могут свидетельствовать о низком качестве кристаллической структуры. В данной ситуации добавление примесей при выращивании структуры на плоской дифракционной решетке может способствовать появлению парных пространственных оптических фононов A1(LO)+ или A1(L)+.
На рис.4 показано полученное на пьезоэлектрическом сканере изображение, на котором с использованием того же цветового кода отображена спектральная информация. Здесь флуоресценция (области зеленого цвета) соответствует стенкам выступов, а участки более низкой интенсивности (красный цвет) – внутренней части углублений.
Снимки слоев скомпонованы с использованием ПО ImageJ в 3D-изображение (рис.5).
Анализ сдвигов пиков
Для анализа сдвигов пиков спектров использовалась лоренцевская функция. На каждом изображении рассматривался пик около 570 см–1. Метод способствует точному определению положения рамановских пиков с погрешностью 0,02 см–1. Ряд исследователей [3–5] продемонстрировали, что сдвиг рамановских пиков может быть связан с деформацией в кристаллических структурах – при деформации пик рамановского спектра сдвигается в сторону.
На рис.6 изображено положение пика при глубинном сканировании. Заметны участки, на которых рамановская линия сдвигается в сторону более низких волновых чисел (зеленый цвет), и области, в которых она сдвигается к более высоким волновым числам (красный цвет). На рис.7 показана диаграмма, иллюстрирующая эти сдвиги, на которой представлены результаты измерений и лоренцева сглаживающая кривая.
На рис.8 демонстрируется распределение на одном из изображений, полученных с помощью пьезоэлектрического сканера. Очевидно, что по снимкам в отдельных плоскостях сложно получить ясную картину сдвига пиков и распределения деформации в образце. Использование всего комплекса информации, полученной при сканировании, и 3D-моделирование позволяют повысить эффективность анализа.
На рис.9 показано 3D-распределение с отмеченными зеленым цветом сдвигами в направлении более низких волновых чисел, а также выделенными красными сдвигами в сторону более высоких волновых чисел. В нижней части изображения представлена плоскость с интенсивностью пика около 735 см–1, что позволяет вы-
явить пространственную связь полей напряжения с расположением углублений. Очевидно, что поля напряжения распространяются из внутренней поверхности на внешнюю в виде трубкообразных структур (на 2D-изображениях исследуемого образца этого не видно).
Анимированное изображение [http://www.witec.de/en/download/Raman/GroupIIINitridesAnimation2.gif] позволяет получить более ясное представление о пространственном распределении таких образований. Различия в положении пика достаточно малы (<1 см–1), и общие различия в деформации нитрида галлия также незначительны. Однако рамановский стресс-фактор для фононной моды достаточно высок и составляет
–3,4±0,3 см–1/ГПа [6]. Этот показатель позволяет определить средствами высокочувствительной рамановской спектроскопии сдвиг пика и делает возможным измерение малейших изменений параметров кристаллической решетки [7].
Удивительно, но деформация сжатия в исследуемом образце нитрида галлия очень однородна вне зависимости от характера участка (углублений или выступов) за исключением краев выступов, где она меньше и наблюдалось некоторое нарушение наращивания нитрида галлия.
СИНЕРГИЯ методов
Исследование продемонстрировало исключительную чувствительность рамановской микроскопии, а также ее полезность для оптимизации выращивания полупроводников на структурированных сапфировых подложках. Доказано, что вдоль периметра вытравленных структур обнаруживается усиленная флуоресценция. Кроме того, рассмотрен преобразованный рамановский спектр нитрида галлия с деформацией растяжения.
Анализ напряжений с учетом точного положения пиков фононной моды позволил вы-
явить существование трубкообразных структур на тех участках, где рамановские пики сдвинуты в сторону низших волновых чисел (менее сжаты). Такие образования распространяются из внутренней поверхности кристаллической структуры нитрида галлия вверх до его поверхности. Эти структуры связаны с частично деформированным наростом на гранях стенок выступов, заметных на РЭМ-изображении. Если РЭМ позволяет проводить исследование физических поверхностей, то преимущества рамановской спектроскопии – ее безвредность для анализируемого материала и обеспечение детального исследования различных типов деформации структур нитридов III группы, выращенных на структурированных сапфировых подложках. Таким образом, два этих метода идеально дополняют друг друга.
Автор выражает благодарность доктору Э.Рихтеру (факультет материаловедения берлинского Института
им. Ф.Брауна) за предоставленный образец и научную дискуссию, результатом которой стал представленный материал.
Литература
1.Cooke M. Semiconductor Today, Compounds & Advanced Silicon "Technology focus: Nitride substrates", 2011, Vol.6 (7), Sept./Oct., p.120.
2.Kuball M. Raman spectroscopy of GaN, AlGaN, and AlN for process and growth monitoring/control, Surface and interface analysis. – Surf. Interface Anal., 2001, 31, p.987–999.
3.Gundel P., Schubert M.C. and Warta W. Simultaneous stress and defect luminescence study on silicon. – Phys. Status Solidi A, 2010, 207, p.436–441.
4.Gigler A.M., Huber A.J., Bauer M., Ziegler A.,
Hillenbrand R. and Stark R.W. Nanoscale residual stress-field mapping around nanoindents in SiC by IR s-SNOM and confocal Raman microscopi. – Optics Express, 2009, 17, p.22351–22357.
5.Wermelinger T., Borgia C., Solenthalerand C.,
Spolenak R. 3-D Raman spectroscopy measurements of the symmetry of residual stress fields in plastically deformed sapphire crystals. – Acta Materialia, 2007, 55, p.4657–4665.
6.Ahmad I., Holtz M., Faleev N.N., Temkin H.
Dependence of the stress–temperature coefficient on dislocation density in epitaxial GaN grown on a-Al2O3 and 6H–SiC substrates. – J. Appl. Phys., 2004 , 95, p.1692–1697.
7.Gorczyca I., Christensen N.E., Peltzer y Biancá E.L., Rodriguez C.O. Optical phonon modes in GaN and AlN. – Phys. Rev. B 51, 1995, p.11936–11939.
им. Ф.Брауна (Германия). Подложка структурирована ионно-лучевой литографией с последовательным шаговым экспонированием с помощью чувствительного к i-линиям негативного фоторезиста KMPR 1000 и ионным травлением индуктивно-связанной плазмой (ИСП). Глубина ячеистой структуры составляет 4,5 мкм, ширина выступов – 3,5 мкм, а питч (ширина ячейки) – 12 мкм. Данная конструкция характерна для светодиодов; она позволяет повысить квантовую эффективность или работать как встроенные отражатели для улучшения излучения света [1].
Нитрид галлия выращен в углублениях и на гранях выступов в нижней части образца структурированного сапфира. Слой нитрида галлия проявляется в слабом контрасте изображения. Плотность ступенек расщепления (структурных дефектов) больше в нитриде галлия, выращенном непосредственно на поверхности сапфира в углублениях или в верхней части выступов. На рис.1 показаны РЭМ-изображения полученных структур.
Экспериментальные измерения
Образцы анализировались с использованием конфокального рамановского микроскопа alpha 300R+ и Nd:YAG-лазера с удвоенной частотой (длина волны 532 нм). Свет направлялся через одномодовый волоконный световод и выводился на образец через дихроичное зеркало, а также объектив с числовой апертурой 0,9 и увеличением 100×. Для собирания луча после рэлеевского рассеяния применялся щелевой фильтр, а в качестве конфокального отверстия использовалось оптоволокно с диаметром сердцевины 50 мкм. Это обеспечило хорошее разрешение по глубине. Затем свет направлялся в спектрометр UHTS300 с дифракционной решеткой 1800 штрихов/мм (BLZ 500 нм) и EM-CCD-камерой. Двухкоординатное позиционирование при сканировании выполнялось пьезоэлектрическим устройством, а для управления фокусировкой использовался шаговый двигатель с шагом 10 нм.
Рамановские спектры были записаны глубинным сканированием вдоль оси образца (240×80 точек на области размером 60×20 мкм) (рис.2). Трехмерные изображения дополнительно анализировались (180×45×20 точек при "объеме" сканирования 60×15×20 мкм), на каждом пикселе записывался спектр, время интеграции составляло 20 мс/спектр. С помощью ПО WITec Project Plus спектральная информация выводилась в виде рамановских изображений с цветовым кодом. В результате были получены рамановские 3D-изображения по всему объему образца.
Для получения спектральной диаграммы высокого разрешения съемка выполнялась с увеличением 100×. Разные цвета углублений в структуре объясняются различиями в интерференции белого света, зависящей от расстояния между передней поверхностью выращенного в углублениях нитрида галлия и нижней поверхностью его сросшегося слоя.
Анализ спектральных характеристик образца
Глубинным сканированием выявлены три участка образца. На рис.3а представлено рамановское изображение, полученное при спектрозональной съемке, а спектры соответствующих цветов показаны на рис.3б.
Спектры в областях пурпурного цвета типичны для нитрида галлия [2]. На участках зеленого цвета, соответствующих граням выступов, можно увидеть повышенную флуоресценцию (в основном в диапазоне низких волновых чисел) (рис.3б). На спектральной характеристике расположенных над углублениями областей красного цвета заметно снижение пика до 735 см–1, при этом наблюдается размытый максимум. Сдвиг и размытость пиков могут свидетельствовать о низком качестве кристаллической структуры. В данной ситуации добавление примесей при выращивании структуры на плоской дифракционной решетке может способствовать появлению парных пространственных оптических фононов A1(LO)+ или A1(L)+.
На рис.4 показано полученное на пьезоэлектрическом сканере изображение, на котором с использованием того же цветового кода отображена спектральная информация. Здесь флуоресценция (области зеленого цвета) соответствует стенкам выступов, а участки более низкой интенсивности (красный цвет) – внутренней части углублений.
Снимки слоев скомпонованы с использованием ПО ImageJ в 3D-изображение (рис.5).
Анализ сдвигов пиков
Для анализа сдвигов пиков спектров использовалась лоренцевская функция. На каждом изображении рассматривался пик около 570 см–1. Метод способствует точному определению положения рамановских пиков с погрешностью 0,02 см–1. Ряд исследователей [3–5] продемонстрировали, что сдвиг рамановских пиков может быть связан с деформацией в кристаллических структурах – при деформации пик рамановского спектра сдвигается в сторону.
На рис.6 изображено положение пика при глубинном сканировании. Заметны участки, на которых рамановская линия сдвигается в сторону более низких волновых чисел (зеленый цвет), и области, в которых она сдвигается к более высоким волновым числам (красный цвет). На рис.7 показана диаграмма, иллюстрирующая эти сдвиги, на которой представлены результаты измерений и лоренцева сглаживающая кривая.
На рис.8 демонстрируется распределение на одном из изображений, полученных с помощью пьезоэлектрического сканера. Очевидно, что по снимкам в отдельных плоскостях сложно получить ясную картину сдвига пиков и распределения деформации в образце. Использование всего комплекса информации, полученной при сканировании, и 3D-моделирование позволяют повысить эффективность анализа.
На рис.9 показано 3D-распределение с отмеченными зеленым цветом сдвигами в направлении более низких волновых чисел, а также выделенными красными сдвигами в сторону более высоких волновых чисел. В нижней части изображения представлена плоскость с интенсивностью пика около 735 см–1, что позволяет вы-
явить пространственную связь полей напряжения с расположением углублений. Очевидно, что поля напряжения распространяются из внутренней поверхности на внешнюю в виде трубкообразных структур (на 2D-изображениях исследуемого образца этого не видно).
Анимированное изображение [http://www.witec.de/en/download/Raman/GroupIIINitridesAnimation2.gif] позволяет получить более ясное представление о пространственном распределении таких образований. Различия в положении пика достаточно малы (<1 см–1), и общие различия в деформации нитрида галлия также незначительны. Однако рамановский стресс-фактор для фононной моды достаточно высок и составляет
–3,4±0,3 см–1/ГПа [6]. Этот показатель позволяет определить средствами высокочувствительной рамановской спектроскопии сдвиг пика и делает возможным измерение малейших изменений параметров кристаллической решетки [7].
Удивительно, но деформация сжатия в исследуемом образце нитрида галлия очень однородна вне зависимости от характера участка (углублений или выступов) за исключением краев выступов, где она меньше и наблюдалось некоторое нарушение наращивания нитрида галлия.
СИНЕРГИЯ методов
Исследование продемонстрировало исключительную чувствительность рамановской микроскопии, а также ее полезность для оптимизации выращивания полупроводников на структурированных сапфировых подложках. Доказано, что вдоль периметра вытравленных структур обнаруживается усиленная флуоресценция. Кроме того, рассмотрен преобразованный рамановский спектр нитрида галлия с деформацией растяжения.
Анализ напряжений с учетом точного положения пиков фононной моды позволил вы-
явить существование трубкообразных структур на тех участках, где рамановские пики сдвинуты в сторону низших волновых чисел (менее сжаты). Такие образования распространяются из внутренней поверхности кристаллической структуры нитрида галлия вверх до его поверхности. Эти структуры связаны с частично деформированным наростом на гранях стенок выступов, заметных на РЭМ-изображении. Если РЭМ позволяет проводить исследование физических поверхностей, то преимущества рамановской спектроскопии – ее безвредность для анализируемого материала и обеспечение детального исследования различных типов деформации структур нитридов III группы, выращенных на структурированных сапфировых подложках. Таким образом, два этих метода идеально дополняют друг друга.
Автор выражает благодарность доктору Э.Рихтеру (факультет материаловедения берлинского Института
им. Ф.Брауна) за предоставленный образец и научную дискуссию, результатом которой стал представленный материал.
Литература
1.Cooke M. Semiconductor Today, Compounds & Advanced Silicon "Technology focus: Nitride substrates", 2011, Vol.6 (7), Sept./Oct., p.120.
2.Kuball M. Raman spectroscopy of GaN, AlGaN, and AlN for process and growth monitoring/control, Surface and interface analysis. – Surf. Interface Anal., 2001, 31, p.987–999.
3.Gundel P., Schubert M.C. and Warta W. Simultaneous stress and defect luminescence study on silicon. – Phys. Status Solidi A, 2010, 207, p.436–441.
4.Gigler A.M., Huber A.J., Bauer M., Ziegler A.,
Hillenbrand R. and Stark R.W. Nanoscale residual stress-field mapping around nanoindents in SiC by IR s-SNOM and confocal Raman microscopi. – Optics Express, 2009, 17, p.22351–22357.
5.Wermelinger T., Borgia C., Solenthalerand C.,
Spolenak R. 3-D Raman spectroscopy measurements of the symmetry of residual stress fields in plastically deformed sapphire crystals. – Acta Materialia, 2007, 55, p.4657–4665.
6.Ahmad I., Holtz M., Faleev N.N., Temkin H.
Dependence of the stress–temperature coefficient on dislocation density in epitaxial GaN grown on a-Al2O3 and 6H–SiC substrates. – J. Appl. Phys., 2004 , 95, p.1692–1697.
7.Gorczyca I., Christensen N.E., Peltzer y Biancá E.L., Rodriguez C.O. Optical phonon modes in GaN and AlN. – Phys. Rev. B 51, 1995, p.11936–11939.
Отзывы читателей
