GaN片状样品中不同靶材下元素分析检测方案(X光电子能谱)

SSL-CA14-880Excellence in Science Excellence in ScienceXPS-004 上海市徐汇区宜州路180号B2栋http：//www.shimadzu.com.cn咨询电话：021-34193996Hotline： 021-34193996Building B2， No.180 Yizhou Road， Shanghai 岛津高能Ag靶在GaN 半导体材料表征中的应用 XPS-004 摘要：本文分别采用单色Al靶、单色Ag靶、双阳极 Mg 靶作为X射线源表征 GaN 半导体材料，可以得到三种靶材时的各元素精细谱结果，单色Ag靶作为激发源时可以使 Ga LMM 俄歇峰与 N 1s 主峰有效分离，得到准确的化学态分析结果。 关键建：高能Ag靶双阳极Mg靶单色Al靶 XPS 化学态分析 近年来，，1以碳化硅(SiC)、氮化 (GaN)、氧化锌(ZnO)、氮化铝(AIN)等为代表的第三代半导体材料越来越受到研究者的关注。其中，作为第三代半导体材料的典型代表， GaN具有六角纤锌矿结构，是一种具备禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等优良特性的半导体材料，因此在制作短波长发光器件、光电探测器以及高温、高频、大功率电子器件领域有着广泛的应用。 即便采用了高温、高压技术，也只能得到针状或者小尺寸的片状 GaN 晶体。目前关于生长大尺寸 GaN 单晶材料的研究依然在展开，目前已经可以在一些特定的沉底材料上外延生长得到质量较好的 GaN 外延层，大大推动了该体系的应用。然而在该材料进行 XPS测试表征时，往往会出现 Ga LMM俄歇峰严重干扰 N 1s峰，影响N元素分析的情况，导致较难得到准确的结果。 制备高质量的 GaN 体单晶材料和薄膜单晶材料，是研究开发高性能氮化物发光器件、电子器件的重要前提。由于 GaN 的熔点高，因此很难采用熔融的液体GaN制备， 本文采用的是以 Si 片作为基底制备得到的微米级别的 GaN 薄层，采用XPS 技术对该材料进行表征，分别采用三种靶材进行测试，对比测试结果并验证材料结构。 实验部分 1.1仪器 岛津光电子能谱仪 (Axis Supra) 1.2分析条件 激发源：单色AI靶(AlKa， 1486.6eV)单色Ag靶(Ag La， 2984.2eV)双阳极 Mg靶 (Mg Ka， 1253.6eV) 通能：全谱160eV，精细谱 40 eV分析区域： Hybrid (磁透镜开启)slot 模式(700*300um) X射线高压：15 kV 扫描速度：全谱leV，窄谱0.1 eV 停留时间 (Dwell time) ： 200 ms 1.3样品及处理 样品性状：无色透明片状固体。将片状样品直接用3M双面面缘胶带将样品贴于样品条上即可，如下图所示，可以直接在预抽室进行分析位置及采集方法的设定。 可停放三个样品台预抽室相机拍照记录样品信息 可在预抽室进行测试参数设定达到真空后可以进行样品台自动传输交换 图1样品状态图 结果与讨论 2.1单色Al靶测试结果： 通过 XPS 全谱结果可以判断表面元素种类，进行初步定性分析。对该材料进行全谱扫描，见图2，结合Al靶测试下的 Ga 元素标准图谱， Ga LMM 峰分布于380 eV~620 eV之间，因此对于 GaN 材料， 会存在 Ga LMM 俄歇峰与N 1s 主峰(~400 eV) 互相干扰的问题，结信样品信息及标准谱库，初步推测材料表面主要含有碳元素(C 1s)、氧元素(O1s)、元素 (Ga2p、Ga 3d) 以及氮元素(N1s)，未观察到基底硅元素，说明 GaN 层有较好的致密度。 图2全谱扫描结果-Al靶 进一步对关心的 Ga元素及N元素采集精细谱数据分析，见下图3，可以看到 Ga 元素的 Ga LMM俄歇峰会严重干扰到N 1s峰峰的分析，由峰形可以判断N元素的存在，但无法判断N元素的化学态信息。 图3元素精细谱扫描结果 由下图4中 Ga 3d的测试结果可以判断 Ga 元素主要以 Ga-O 与 Ga-N 的化学态存在(0°时为初始状态，随着转动角度变大，采集的为更表层的信息)，其中 Ga-O 的来源推测是样品暴露空气后表面会有少量吸附氧物种的存在。进一步通过角分辨XPS进行验证，转动角度越大，采集信息更靠近表层，发现Ga 3d峰形不对称性增大， Ga-O化学态的占比呈现增大趋势。 图4 Ga 3d精细谱的角分辨测试结果 2.2双阳极Mg靶： 采用双阳极Mg 靶作为激发源，对该材料进行全谱扫描，见图5，图中左上角同时给出了 Mg靶时的 Ga 元素标准谱图中的 Ga LMM 部分， 与单色Al靶时结果对比， Ga LMM 俄歇峰移向低结合能区域，分布于100 eV~430eV区间内，各元素特征轨道峰 (1s， 2p， 3d等)峰位基本不变。对比上图3与下图6给出的N 1s精细谱扫描结果可知，采用双阳极 Mg靶时， Ga LMM 俄歇峰对N 1s的干扰减弱，可以直接判定N元素的存在，但依然不能够由N1s峰的不对称性直接推断其含有多个化学态存在。由 Ga 3d测试结果可以判断 Ga 由 Ga-o 与 Ga-N 两种化学态组成。 图5全谱扫描结果-Mg靶 图6精细谱扫描结果-Mg靶 2.3 单色 Ag靶： 岛津高能Ag靶具有的能量为 2984.2 eV， 因此可以将元素的俄歇峰移至更高结合能范围，因此在解决区分俄歇峰与主峰重叠问题上具有一定的优势。于此我们可以对三种不同靶材得到的全谱扫描结果进行对比，见图7，当采用Ag靶作为激发源时， Ga LMM 移向高结合能区域(1800 eV~2130eV)，因此消除了 Ga LMM 对于低结合能区域其他元素主峰的干扰。 图7不同靶材时的全谱扫描结果 图8给出了Ag 靶时的全谱扫描结果，并将低结合能区域谱图进行放大， Ga LMM 与N 1s彻底分离，可以直接由~400 eV处的峰判定N元素的存在。进一步对 N 1s 与 Ga 3d 进行精细谱扫描，见图9，N元素主要以 GaN 的化学态形式存在， Ga 元素同样以 Ga-N 与 Ga-O的化学态存在，高能Ag靶能够检测更深层次的信息，可以由 Ga 3d谱图结果进行峰面积比计算，与其他两种靶材测试结果对比， Ga-O的相对占比略有降低，同时证明Ga-O 主要存在于表层。 Binding energy (eV) 图8全谱扫描结果-Ag靶 图9精细谱扫描结果-Ag靶 388 单色AI靶则试结果 双阳极Mg靶测试结果 单色Ag靶测试结果 图10不同靶材时N1s测试结果对比 上图10给出了不同靶材时的 N 1s 测试结果，可以从图中看到显著的差异，在使用单色Al靶时， Ga LMM对N1s的干扰最为严重，而换为双阳极 Mg 靶时该干扰并不能完全消除，当采用高能Ag靶时，则可以得到完全分离的N1s 结果。 结论 本文采用 XPS 技术成功完成了 GaN 半导体材料的表征，采用三种不同的靶材分别进行测试，可以得到不同 GaLMM与N 1s分离程度的测试结果。当采用岛津高能Ag靶作为激发源时， Ga LMM 与 N 1s 完全分离，基于此可以准确判定元素的化学态信息，对于该类材料的表征测试具有可拓展性。岛津高能单色Ag靶与单色Al靶共用一个单色器，成本较低，且具备多个靶点，并处于同一靶面，因此仅仅过软件即可实现切换，操作简单。可达600W高功率的X射线源能够最大补偿高能靶引起的信号降低问题，对于采用高能靶的测试提供了有力保障。 岛津企业管理(中国)有限公司分析中心Shimadzu(China)CO.，LTD. Analytical Applications Center 本文采用XPS技术成功完成了GaN半导体材料的表征，采用三种不同的靶材分别进行测试，可以得到不同Ga LMM与N 1s分离程度的测试结果。当采用岛津高能Ag靶作为激发源时，Ga LMM与N 1s完全分离，基于此可以准确判定元素的化学态信息，对于该类材料的表征测试具有可拓展性。