荷能重离子辐照引起InP和GaN晶体结构损伤效应的研究

发布时间：2017-04-11 11:05

  本文关键词：荷能重离子辐照引起InP和GaN晶体结构损伤效应的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：半导体产业的飞速发展推动着半导体器件和材料的更新换代,其中第一代硅器件发展的相当成熟,但是由于硅属于间接带隙半导体材料,发光效率低,同时器件的尺寸受到光刻技术的限制,使得硅器件的发展面临巨大的挑战。与此同时,以InP和GaN为代表的二代和三代半导体材料的发展备受瞩目。InP是直接带隙半导体材料,电子迁移率高,抗辐射性能好。广泛应用于制备高频、高速的微波器件以及空间应用的太阳能电池,此外也是光纤通讯领域首选的衬底材料,数码率高,单色性好。GaN材料是典型的宽禁带半导体材料,击穿场强大,热导率高,导热性好,适用于制造大功率的微电子器件,主要应用于高温、高压、辐射等极端环境下。荷能重离子辐照引起晶格原子移位,产生缺陷和应力,引起材料理化性能的改变,严重影响器件的可靠性。InP和GaN作为新型的半导体材料具有优异的电学、热学以及光学性能,是电子器件及光电器件发展的基础,其辐照效应的研究对新型材料半导体器件的抗辐照加固具有重大的指导意义,同时为器件的使用条件提供参考,亦可拓宽这两种材料在航天及军工领域的应用。本工作中InP和GaN单晶样品,分别由液封直拉(LEC)技术和氢化物气相外延法(HVPE)制备。采用兰州重离子加速器装置(HIRFL)提供的能量为2 GeV的209Bi离子和86Kr离子,以及320 kV高压平台提供的能量为1.4 MeV的不同电荷态的Krq+离子和Xeq+离子辐照InP和GaN样品。采用激光共聚焦拉曼光谱仪、透射电子显微镜对辐照前后的样品进行检测。实验中通过改变电子能损和注量等辐照参数,系统的研究了荷能离子辐照引起晶体结构的损伤,导致晶格振动模式的变化以及潜径迹的形成与电子能损和辐照注量之间的依赖关系。快重离子辐照的实验结果表明,快重离子辐照后,通过TEM测试发现,当入射离子的电子能损为13 keV/nm时,InP样品表面观察到可见的离子径迹。209Bi离子电子能损大约为30 keV/nm,辐照后InP样品表面观察到横截面近似圆形的多晶径迹,而在晶体内部形成了纵截面为长条状的非晶径迹。拉曼测试中发现,209Bi、86Kr离子辐照后,InP样品拉曼光谱LO模式特征峰发生红移,当电子能损达到12.7 keV/nm,峰位移动最大为2.2 cm-1;当Bi离子辐照电子能损达到31.4keV/nm,注量为3.6×1012 ions/cm2,峰位移动最大为7.6 cm-1,并且出现非对称性展宽,辐照引入的张应力随电子能损和注量的增大逐渐增大。209Bi离子辐照后,在GaN样品的TEM剖面图像中观察到潜径迹的形成,并且发现径迹区域晶格条纹比较模糊,但没有形成非晶态;86Kr离子辐照后GaN样品中没有观察到潜径迹。在拉曼测试中发现GaN样品辐照后,当入射离子的电子能损为19 keV/nm时,拉曼峰强度急剧下降,峰位没有变化;当电子能损达到46keV/nm时,E2(high)模式发生蓝移,A1(LO)模式发生红移。产生的压应力随电子能损和注量的增大逐渐增大。高电荷离子辐照的实验结果,通过TEM检测发现,在InP样品表面观察到横截面近似圆形的、具有晶格条纹的潜径迹产生,径迹外围区域没有观察到晶格条纹。同时拉曼光谱的测试中发现,InP中LO模式特征峰发生红移,并且随着辐照注量的增大,红移现象愈加明显,注量达到1×1013 ions/cm2时拉曼峰消失了,说明辐照引起材料的非晶化。高电荷态离子辐照后,GaN样品表面没有观察到潜径迹的形成,高分辨模式下观察到晶格条纹整齐有序。在拉曼光谱测试中发现随着辐照注量的增大,拉曼峰强度降低,峰位没有变化。最后我们比较分析了快重离子辐照实验结果,快重离子辐照后,在低电子能损下InP拉曼峰产生明显的移动,并且径迹区域非晶化。而GaN样品只有在高电子能损下拉曼峰才会移动,径迹区域没有完全非晶化。高电荷态离子与快重离子辐照实验结果比较分析得出同样的结论,在相同的辐照环境中InP晶体更容易引入杂质和缺陷,从而导致晶体结构的无序化。
【关键词】：InP GaN 快重离子 高电荷态离子 潜径迹 拉曼位移
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(近代物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.2
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 课题背景及研究意义14-16
• 1.2 辐照效应研究现状16-20
• 1.2.1 InP材料研究现状16-18
• 1.2.2 GaN材料研究现状18-20
• 1.3 本论文研究内容及安排20-22
• 第二章 荷能离子与固体相互作用机理22-26
• 2.1 快重离子与固体相互作用22-24
• 2.2 高电荷态离子与固体相互作用24-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第三章 样品制备、样品辐照及样品表征26-34
• 3.1 样品制备26
• 3.2 样品辐照26-29
• 3.2.1 快重离子辐照实验26-29
• 3.2.2 高电荷态离子辐照29
• 3.3 样品表征29-33
• 3.3.1 透射电镜（TEM）30-32
• 3.3.2 拉曼光谱（Raman）32-33
• 3.4 本章小结33-34
• 第四章 快重离子辐照实验研究34-57
• 4.1 引言34-36
• 4.1.1 材料中的原生缺陷34-35
• 4.1.2 辐照引起的缺陷35-36
• 4.2 InP晶体形貌和结构的研究36-45
• 4.3 GaN晶体形貌和结构的研究45-54
• 4.4 InP和GaN中引起的辐照效应的对比54-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 高电荷态离子辐照实验研究57-63
• 5.1 InP晶体结构和表面形貌的研究57-60
• 5.2 GaN晶体结构和表面形貌的研究60-62
• 5.3 本章小结62-63
• 第六章 结论与展望63-65
• 6.1 主要结论63-64
• 6.2 展望64-65
• 参考文献65-73
• 作者简介及发表的学术论文73-74

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