GaAs晶体位错缺陷的同步X光透射形貌研究张峰翊、王永鸿欧半导体材料工程研舯属研究总院’北京’88／里莲蒋建华．；>(同步辐射室形貌站、中科院高能物理所)7摘要：利用同步X光透射形貌技术，研究了脓封直拉／(LEC)、平布里支曼／(HB)、直梯度凝固／(VGF)三种生长技术制备的2一晶片的位铺觖陷发现LEC晶体中缺陷明显高于HB、VGF晶体，VGF缺陷缺陷最低，HB晶体居于两者之间。结合生长界面温度梯度和杂质掺入水平．讨论了位错分布差异的原因。八(7关键词：位错，X光形貌，GaAs晶体、，一，——．_———_—一，—_——————。一乎哗JGaAs晶体作为一种重要的半导体材料，其位错及相关缺陷对外延生长和离子注入器件的性能具有重要意义。降低晶体中的位错密度一直是晶体生长中的重要课题。现已有多种评定位错分布的方法，如熔融KOH腐蚀，TEM等。其中，X光透射形貌技术【1】具有穿透能力较强，非破坏性的优点，是一项认识GaAs晶体内部位错等缺陷的重要手段。但普通X光机提供的X光强度低，造成曝光时间长等缺点。同步X光具有强度大，波长连续、准直性好的特点【2】，同步X光透射形貌技术具有曝光时间短，信噪比高，可一次得到多个不同满足Bragg衍射条件的晶面的形貌像，便于研究GaAs晶体中的位错及相关缺陷的分布。本文利用透射形貌象初步研究了液封直拉(LEC)、水平布里支曼(HB)、垂直梯度凝固(VGF)三种生长技术制备的2”晶片的位错缺陷，并结合生长工艺讨论了不同位错分布的机制。实验本实验在北京高能物理研究所同步辐射室形貌站上完成。实验装置如图1所示，入射X光从LWG11束线引出，由于其天然准直，经出口光阑后直接投射到样品上，满足Bragg衍射条件的晶面产生一束衍射X光，它包含有该方向晶面的缺陷信息，由底片记录。因0级衍射过强，故在底片前加一块铅皮吸收。曝光时间5~1Os．贮存环电子能量2．2GeV，束流强度为70~35mA。出口光阑7x7mm，样品距光阑60cm，底片距样品6cm。LEC样品为本院自制(100)方向半绝缘晶体，位错密度约为3×l0cm～，电阻率5×1OQ·cm，电子迁移率5900cm／V·S。厚度约为6001am。HB样品为本院自制(1l0)方向掺Si晶体，掺杂浓度2×l0"cm一，位错密度3000cm～，样品厚度约为6001am。VGF样品为美国AXT公司(100)方向半绝缘晶片，位错密度<5o0cm～，电阻率>10Q·cm，电子迁移率3000cm／V·S左右，厚度约为500~m。实验结果及讨论如图2所示为典型同步X光白光形貌象。其中每一个斑点都代表了满足Bragg衍射条件的晶面，位错等缺陷的信息包含在每个斑点中。斑点经放大后既可观察位错等缺陷的分布。在图中可清楚的观察到闪锌矿结构的GaAs晶体X光衍射的4度对称性。图3为LEC晶体的放大形貌象(10x)，可以清楚的看见晶体中胞状位错网格，在网格上“暗区”是位错的集中区，33网格中间“亮区”是低位错区，其分布和熔融KOH腐蚀结果相一致。图3LEC晶体的放大形貌象(10~)，阴图4VGF晶体的放大形貌象(10~)影区为高位错区图4为VGF晶体的放大形貌象(10~)，整个被测区域比较均匀，很难观察到晶体中缺陷引起的衬度。Q醒温度T图5HB晶体的放大形貌象(10x)图6LEC生长温度截面示意图图5为HB晶体的放大形貌象(10~)，发现形貌象中只出现较小的位错缺陷。分布规律性不强。图中结果表明：LEC晶体中缺陷明显高于HB、VGF晶体，VGF缺陷缺陷最低，HB晶体居于两者之间。X光形貌象结果和晶体中位错分布结果相一致。三种生长方法典型的位错密度如表l所列。表1．2”LEC、HB、VGF晶体典型位错密度生长方法LECHBVGF位错密度(／era)2×10435x1o3<103LEC晶体中的缺陷主要是位错和相关缺陷，如As沉淀等。如图6所示【3】，在非掺LEC生长中，生长界面温度梯度可达40,-,100℃／em，由此带来很强的热应力[4】，又因为杂质原子含量低，晶格临界剪切应力小，热应力在随后的释放过程中，造成晶体内部较高的位错密度。同时，LEC一般为富As生长，晶体化学配比偏向富As，这些位错由于其悬挂键具有很高的活性，会吸引富裕As原子在其周围富集，形成As沉淀。这些缺陷会增强X光的异常透射，形成相应的较明显缺陷衬度象。另外，由于位错的“吸杂”作用，使得胞状位错网格中心部分形成低缺陷的“洁净区”，在x光形貌象中比较明亮，基本看不到缺陷衬度。VGF生长具有生长温度梯度小，一般为512℃／cm，如图