12MeV硅离子辐照制备InGaN/GaN多层薄膜的结构和光学特性 *

1. 概述

        本文研究了硅（Si）离子辐照（12MeV高能）对InGaN/GaN薄膜结构和光学特性的影响。在1×10¹³至1×10¹⁵ions/cm²范围内的不同Si离子通量下进行辐照。原始薄膜的X射线衍射（XRD）图谱仅显示InGaN的（0 0 2）取向晶粒，而辐照后的薄膜图谱也显示其他相（InN和GaN）。不同剂量率下的离子辐照对InGaN的晶粒尺寸没有显示出影响或可忽略不计，除了峰值位置的偏移，这表明拉伸应力的发展。在辐照的膜图案中存在其他相是InGaN相分离的指示。拉曼光谱中669 cm^-1处的峰移和新峰的出现也证实了由于辐照而产生的缺陷。本文报道了光学带隙随离子辐照剂量率的增加而减小的现象。

2. 样品制备

        采用来自我司的蓝宝石衬底上生长的InGaN/GaN薄膜进行实验。将生长的薄膜暴露于由安装在5UDH-2 Pelletron串联加速器提供的12.0MeV能量的Si离子准直束中。在辐照过程中，真空度保持在10⁻⁶Torr。使用物质代码中离子的停止/范围，发现InGaN中12 MeV Si离子的投影范围约为4.08µm。该范围保持远大于膜厚度，以确保均匀的损伤分布。将InGaN/GaN晶片安装在高精度测角仪上，以便可以精确控制样品相对于硅离子束的取向。实验在1×10¹³、1×10¹⁴和1×10¹⁵ions/cm^-2的不同离子通量下进行。第四个InGaN/GaN外延片未经辐照，作为参考样品。

        利用X射线衍射（XRD）和拉曼光谱对原始薄膜和辐照薄膜进行结构分析。使用Bruker X射线衍射仪，在40kV、40mA和25°C的温度下，使用Cu-Kα（λ=1.54191Å）辐射，在20°至80°的2θ范围内收集XRD数据，步长为0.02°。利用卢瑟福背散射光谱（RBS）对元素组成进行了定量和定性研究。拉曼光谱由LabRAM III使用波长为514nm的150mW氩离子激光器收集。对于光学特性，使用了紫外-可见分光光度计。

图 1 InGaN/GaN原始外延层和Si+辐照外延层在不同通量下的XRD光谱

图2（a） InN峰值强度随剂量率的变化；（b）InGaN在不同Si离子通量下的峰移

图3 （a） InGaN/GaN生长态和Si束辐照膜的拉曼光谱（b）拉曼E2h带FWHM的变化

图4 RBS光谱：（a）未辐射晶片光谱；分别以（b）1×10¹³（c）1×10¹⁴和（d）1×10¹⁵ions/cm²照射光谱

图5 不同剂量率下的透射率（%T）与波长的关系

图6 （a）计算的InGaN薄膜的带隙能量；（b）带隙随剂量率的变化

3. 结论

        该研究表明，在InGaN/GaN外延层系统中，Si+辐照（12MeV高能）不仅产生结构变化，而且影响光学性能。

        在XRD图谱中，InGaN衍射峰在较大的离子通量下从原始位置向较高的角度移动。它还表现出InGaN相的峰值分裂，表明InGaN相在生长态膜中的偏析。Rutherford反向散射光谱技术表明，辐照膜的厚度和组成保持不变，表明InGaN膜的辐射耐受性。蓝宝石基GaN晶片的拉曼光谱在567 cm^-1和736 cm^-1处显示两个峰，对应于E2h和A1（LO）声子模式。由于离子束在高通量下引起的晶格损伤，离子辐照在拉曼光谱中的669 cm^-1处也引起了一个新的峰值，这与XRD结果一致。

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