立方相GaNGaAs(001)外延层中六角相的分布特征

1、中国科学 (E辑)SCIENCE IN CHINA (Series E)第31卷第3期2001年6月1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.中国科学 (E辑)SCIENCE IN CHINA (Series E)第31卷第3期2001年6月立方相 Ga N/ GaAs( 001)外延层中六角相的分布特征渠 波郑新和王玉田韩景仪徐大鹏林世鸣杨辉梁骏吾(中国科学院半导体研究所集成光电国家重点实验室，北京100083;中国地质科学院矿床地质研究所，北京100037)摘要 采用X射线多功能四圆衍射仪测

2、绘出GaN/ GaAs(001)外延层中六角相的0002和1010极图，结果表明外延层中六角相与立方相之间的取向关系为：0001 /111 , < 1010/112.构建了相应的结构模型，并对0002和1010极图进行了模拟.六角相以该取向关系存在于立方相GaN外延层中时，两相界面处具有相应于六角相和立方相的层错结构.分析立方相GaN外延层中形成六角相所导致的晶格畸变和能量变化可知，造成六角相分布特征的主要因素是平行于< 0001 >方向的两相界面处原子成键紊乱.六角相按照该取向关系，从低温缓冲层内部或缓冲层与外延层界面处萌生，并以片状贯穿至外延层表面的分布特征所引起的外延层

3、能量 增加值最小.关键词c2GaN h2GaN四圆衍射 极图1 3GaN材料至今仍然是在目前，GaN基异质外延材料受到了普遍重视，GaN基LEDs, LDs ,以及适合于高温、恶劣环境下工作的紫外探测器和大功率微电子器件已经被广泛研制并逐步商品化G&N材料多以纤锌矿型和闪锌矿型两种结构存在.高质量的蓝宝石衬底上获得的具有纤锌矿型结构的六角相外延薄膜，但这种外延体系存在难以解理等问题13.而对于较早时期曾被寄予厚望的具有闪锌矿型结构的立方相GaN,其晶体质量虽劣于六角相，但其稍小的能带间隙、较高的结晶对称型、和低温生长的特点，既有利于光电器件 中InGaN合金的设计与生长，又使p型掺杂更

4、易于实现，同时，在 GaAs(001)等衬底上生长时 还具有易解理形成激光器谐振腔镜面、后工艺可与G&As工艺兼容的优越性，从而再一次引起 研究人员的极大兴趣57】.立方相GaN基的发光二极管也已研制成功8.困扰GaN/ GaAs(001)外延体系的一个重要方面是外延层中的混相问题.六角相在立方相GaN外延层中的含量和分布特征将极大地影响外延材料的光学和电学性能811.因此研究六角相与立方相 GaN的取向关系，将有助于分析六角相的形成机理和分布特征，并在外延生长过程中有效地控制六角相含量2000205218 收稿,200(212220 收修改稿1995-2004 Tsinghua To

5、ngfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第3期渠 波等：立方相GaN/ GaAs(001)外延层中六角相的分布特征221利用X射线衍射技术分析立方相GaN外延层中六角相的分布特征及其含量时，如何准确地提取出六角相信息是需要解决的关键问题.由于六角相的0002面和立方相的111面有相近的晶面间距，六角相的1120面和立方相的220面也有相近的晶面间距，其衍射角相差 很小.所以0002 , 1120面的极图中总是含有立方相的衍射信息，不能用来准确分析六角相的取向分布特征.而六角相的10?0面与立方相的各晶面间距相差较远，其极图可以更单纯地

6、反映六角相的结构取向和含量本文采用X射线多功能四圆衍射仪测绘出GaN/ GaAs(001)外延层中六角相的0002和1010极图，分析得到外延层中六角相与立方相之间的取向关系为:0001 /111 ,1010 /112.该取向关系更适合于 X射线衍射分析立方相GaN外延层的晶体质量，并能很好地解释六角相在立方相GaN外延层中的形成机理及其他分布特征.1实验方法在G&As(001)衬底上用LP2MOCVD方法生长立方 GaN薄膜，Ga源和N源分别为三乙基镓 (TEGa)和NH3,H2作为载气，先在550 C左右生长GaN缓冲层，然后升至850 C生长GaN外延 薄膜极图的测绘是在多功能四

7、圆衍射仪上进行的“四圆”是指衍射操作中的有效转动圆W，29，x和0圆.3为入射束与试样表面的夹角，29为入射束与衍射束的夹角.x是试样表面与仪器平面的夹角，x = 0°寸，试样表面的法线方向平行于仪器平面，x圆围绕着试样表面内一水平方向旋转.0圆则围绕着试样表面的法线方向旋转.3，29，%和0角的步进精度均可达 0.01°实验选用CuKa作为辐射源，X射线经过狭缝和高纯Si(111)单色后获得 CuKd辐射入射到试样表面上，衍射束经过横 S)ller和竖SOller狭缝后进入探测器.这样的实验配置可以保证 X射线入射束的单色性和平行性 .六角相的晶格常数为 a =0.318

8、9 nm, c = 0.5185 nm12.经计算并结合具体情况将3角和29角定位后测绘0002和1010极图.立方相GaN的晶格常数是经过 X射线三晶衍射测 试得到的结果,a = 0.4503 nmf13.2实验结果及立方相和六角相Ga N间的取向关系模型GaN/ G&As(001)外延层中六角相的0002极图的测绘结果如图 1(a).由于立方相111面 和六角相0002面的衍射角十分接近，该极图同时包含有立方相111面的衍射信息 所以六角相含量的信息是很难提取的六角相形成时其0002面平行于111面，因此六角相0002衍射峰与立方相111衍射峰的位置基本重合，均出现在x =54.7

9、4°附近，并以001为轴呈四次对称分布的特征，这与文献14，15的结果是一致的.所不同的是，由于衍射角度的差异及 六角相晶粒形状与尺寸的不同，从衍射峰的轮廓上仍可以看出该衍射峰是由六角相0002面和立方相111面的衍射峰叠加而得到的.如果测试时的实验配置无法保证X射线良好的单色性和平行性，将无法分辨衍射峰轮廓的叠加特性.另外，对于x =15.79°处所出现的衍射信息，我们的结论与上述文献也不完全一致，计算分析表明此处的衍射信息主要是立方相微孪晶的信息，还可能是在立方相微孪晶的111面上或在立方相基体的115面上形成六角相的衍射信息，其形核机理与x =54.74°处

10、0002衍射峰所对应的六角相是不同的aAIJ图1 立方GaN/ GaAs(001)外延层中六角相的0002极图(a)及其模拟图(b)GaN/ GaAs(001)外延层中六角相的1010 极图的测绘结果如图 2(a).由于实验中测试 极图的29角的发散角小于 2°，所以其中的衍 射信息均来自六角相.对照立方相的极图分 布特征，可以判定六角相的1010面平行于立 方相112面.根据以上的测量结果就可以构建六角相 在立方相中存在的结构模型.图3假定六角 相堆垛在立方相111面上，并表示出了立方 相和六角相界面处的2层原子的排列情况，其 中阴影圆代表立方相111面上的一层 Ga原 子,实心圆

11、代表2种原子，分别为立方相11127(r图2 立方GaN/ GaAs(001)外延层中六角相的1010极图(a)及其模拟图(b)面上的一层N原子和六角相0001面上的一 层Ga原子，空心圆代表六角相0001面上的 一层N原子.也就是说，在由立方相过渡到 六角相的界面处，其原子堆垛顺序则由-AcaAnB GiBNCGaCNAGaANBGaBNCGaCN 变化为 aGaaN bojbNaGaaN bojbN，即界面两侧的堆垛顺 序可 以 表示为 AGaANB Ga BNCGa CnAgej AnBqBn,aGaaN bGabNaGaaN bGabN . 头际上对于六 bGabN角相和立方相 GaN

12、来说，每个川(V)族原子 都与最近邻的4个V(川)族原子成键，与次近邻原子的距离也都相近.其差异在于每个ID( V)族原子的次近邻原子的位置不同，在闪锌矿型立方相 GaN中，在111堆垛方向上，每层原子的成键方向均与相邻的一层原子的成键方向存在60°的角度差，而在纤锌矿型六角相中则不存在该角度差，相邻两层原子的成键方向是一致的.所以既可以认为严层与一侧的bGabNA GaANBGaBNCGaCnA GsAn的堆垛构成立方相，其成键方向相对于AgejAn层的成键方向旋转了60°，也可以认为B_B与另一侧的SGaaNbCabNaGaaNbCa bN的堆垛构成六角相，其成键方向与

13、bGabNacaaN层的成键方向是一致的.因此，图3中的原子排列与 AgAnB的堆垛情况相对应.bGabN根据图3所构建的结构模型，就可以对图2(a)中衍射峰进行标定.x = 35.26°处出现的4 个衍射斑点对应(1010)面，0角为45°，135°，225°和315°时，分别出现了与(112)，(1 12)，(112)和(112)面平行的(1010)面所产生的衍射.同样分析可知，x = 65. 91°时所出现的衍射峰 分别对应于与(211)，(2 11)，(211)，(211)面平行的(0110)面所产生的衍射，或对应于与罗II-

14、沏1-21101lioif图3六角相GaN和立方相GaN界面处原子堆垛结构 在0001方向上的投影.示立方相111面上的一层Ga原子；示两种原子，分别为立方相111面上 的一层N原子和六角相0001面上的一层 Ga原子O示六角相0001面上的一层N原子(121) ,(1 21) , (121) , (121)面平行的(1100) 面所产生的衍射.按照上述结构模型对六角 相的0002和1010极图进行模拟，如图1 (b) 和图2(b)，与实验测绘结果是吻合的.所以,GaN/ GaAs(001)外延层中六角相和 立方相之间取向关系为 0001/ / 111, 1010/ 112.3讨论层错均可以分

15、为内禀型、外禀型和滑移型3类 化，都等效于密排面上的原子发生了相应的滑移在闪锌矿型立方相GaN的111方向上堆垛顺序发生变化而产生六角相GaN，或者在纤锌矿型六角相 GaN的0001方向上堆垛 顺序发生变化而产生出立方相GaN ,均对应着一个层错结构的出现.无论是立方相结构，还是六角相结构，按照形成机理的差异 7.但是层错形成最终所导致的堆垛顺序的变:在立方相中产生六角相时，相当于相应立方相中的Ga原子和N原子在111面上作a/6112的滑移，其滑移距离为0. 0919 nm;在六角相 中产生立方相时 相当于六角相中一层Ga原子和N原子在0001面上作a/3 1门0的滑移其滑移距离为0. 09

16、21 nm,其差值比仅为0.217%.通过立方相密排面上的a/6 112滑移而形成六角相，或通过六角相密排面上的a/6 112滑移而形成立方相，两相间均存在上述的取向关系.f /0.3189 - 0.31840. 31840. 157%.另外在这种取向关系下 ，六角相10?0面和立方相112面的晶格匹配情况如图 4 所示. 在立方相和六角相堆垛界面处 ,111面上沿110方向(或0001面上沿1120方向)的晶格失 配度为1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第3期渠 波等：立方相GaN/

17、GaAs(001)外延层中六角相的分布特征225可见111面与0001面的晶格失配非常小.从这一点来看，六角相容易在立方相中成核 并且长大.然而透射电子显微分析证实六角相多从低温缓冲层内部或缓冲层与外延层间的界 面附近产生，在外延层立方相内部则较少萌生，而且六角相在0001 方向的尺寸一般也较小常常贯穿整个外延层一直延伸到外延层表面8,10.要解释这一现象，仅仅考虑111面与0001面上的晶格失配显然是不够的.造成这种现象的原因还可能来自沿0001方向的晶格畸变和平行于0001方向的两相界 面处成键紊乱两个方面.首先在1010面上沿0001方向(或112面上沿111方向的)的晶 格失配度为0.

18、269%.0. 5185 - 0.5199 f丄=0.5199可见如果六角相在立方相中成核，或被立方相吞并时，在111或0001方向上的晶格失配为(a)(b)图4六角相GaN的原子堆垛结构在10帀面上的投影图(a)和立方相GaN的原子堆垛结构在112面上的投影图(b)111面或0001面上失配的2倍.但六角相在0001面上受到压应变后，在111或0001 方 向上受到稍大的张应变将使0001面上的部分压应变得以释放，所以沿0001方向的晶格畸变还不是引起六角相分布特征的主要原因其次，由于如前所述111或0001 方向上六角相与立方相的堆垛特征，立方相中111方向上两个相邻原子层的成键方向相差6

19、0°,而六角相中0001方向上两个相邻原子层的成键方向则保持一致，所以六角相在立方相中成核或被吞并时，会出现在平行于0001方向的相界面两侧原子的成键方向紊乱这种因素在平行于0001方向的两相界面处所导致的界面能比0001方向上晶格失配造成的晶格畸变能要大得多，是造成六角相分布特征的主要原因所以六角相存在于立方相中所导致的外延层能量的增加( E)包括3个部分:0001面上沿1120方向的晶格畸变能 Es，0001，1010面上沿0001 方向的晶格畸变能 Es，10l0和平 行于0001方向的两相界面处成键紊乱所导致的界面能 Eb.即 E = Es，0001 + Es， 10I0.

20、+ Eb.由于 Es，1010会部分抵消 Es，0001，所以六角相存在于立方相中所引起的外延层能量增加主 要来自 Es，1010和 Eb.为降低外延层能量，提高外延层结构的稳定性，必须降低六角相的含量及其不同分布特征 所引入的能量增加值，特别是 Es，1010和 Eb.由此所造成的结果表现在以下方面：(i)在无其他条件影响下，六角相多从低温缓冲层内部或缓冲层与外延层界面附近萌生；(ii)按照0001 /111， 1010 / 112的取向关系形成六角相时0001面和1010面上的晶格失配较小，所引入的能量增加 Es，0001和 Es，1010比其他晶面要小，且 Es，0001会被 Es，10

21、l0部分抵消;(iii)六角相在立方相中产生时，在0001 方向上的尺寸不可能太大，从而多呈片状，以降低 Es，1010和 Eb；( iv)六角相多从萌生处一直贯穿到外延表面，却很难被外延层中立方相吞并，否则六角相晶粒中晶格畸变严重且难以释放，并将在六角相晶粒的边缘由于成键紊乱而造成更大的应力，且使得 Es，10?0和 Eb增加，外延层的不稳定性增加，甚至在这些晶粒边 缘产生大量取向紊乱的细小晶粒.所以抑制六角相含量的有效途径首先是在缓冲层的生长阶段或外延层的早期生长阶段尽 可能降低六角相的成核概率；其次是在外延层生长的早期阶段，采取合适的工艺手段，提供六角相早期被立方相吞并的条件，从而减少贯

22、穿整个外延层的六角相晶粒的数量或六角相在外延层中被吞并的概率,以提高立方相 GaN外延层质量.4结论利用X射线多功能四圆衍射仪测绘得到立方相GaN/ GaAs(001)外延层中六角相GaN的0002和1010极图，结果表明外延层中六角相与立方相之间的取向关系为：0001 /111:1010 112.六角相以这种取向关系存在于立方相GaN外延层中，可以认为两相界面处存在着相应于六角相和立方相的层错结构.立方相外延层中形成六角相后所导致的能量增加主 要是平行于0001方向的两相界面处成键紊乱所导致的界面能 Eb ,少量来自10彳0面上沿0001方向的晶格畸变能 Es,1010.在上述取向关系下，六

23、角相的分布特征表现为多从低温 缓冲层内部或缓冲层与外延层界面附近产生，并以片状贯穿到外延表面，却很难被外延层中立方相吞并.这种分布特征使六角相存在所导致的外延层能量增加值较小参 考 文 献1 NakamuraS，Faol G. The Blue Laser Diode. Berlin: Springer，19972 NakamuraS. Presentstatusof InGaN2basedlaser diodes. Phys Stat SOl , A , 1999, 176: 15 223 Dubozj2Y. GaN as seenby the industry. Phys Stat Sol

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