技術分享｜二次離子質譜在LED器件的應用

　　近些年來，隨著我國的大力投入，第三代半導體材料及相關器件發展迅速，其中作為第三代半導體材料的主要代表之一的氮化鎵材料在光電子器件、半導體照明、電力電子器件以及射頻器件領域表現優異，技術產業發展漸趨成熟。
 

　　在這些應用領域的生產和研究開發過程中，還存在大量如襯底制備、外延生長、摻雜、雜質沾污、自擴散、刻蝕等相關的待解決問題，這些問題會影響材料和器件的電學及發光特性，因此帶來了諸多表面元素分析的需求。
 

　　二次離子質譜(SIMS)技術作為高靈敏度(ppm~ppb數量級)和高深度分辨率(約1nm)的表面分析技術，在材料及器件的摻雜、元素沾污和材料組成定量分析中優勢突出，既能根據SIMS標準樣品精確定量出元素的濃度水平，又能利用SIMS深度剖析功能，獲得材料及器件中指定區域摻雜元素、沾污及雜質元素的濃度隨深度分布情況，有助于評估材料和器件的摻雜濃度、外延及界面擴散、器件失效原因分析等，為企業和科研團隊在生產工藝優化、設備校準、質量控制、科學研究中提供重要的分析和參考作用。
 

　　SIMS簡介
 

　　二次離子質譜(SIMS)技術的原理是，銫或氧離子源產生的一次離子經過加速、純化、聚焦后，以一定的能量(一般500eV~15KeV)轟擊樣品表面微區，使樣品表面濺射出多種粒子(中性原子或分子，帶正或負電的原子、分子和離子)。通過質量分析器對電離的二次粒子按照荷質比進行分離，利用檢測器(法拉第杯、電子倍增器、CCD)收集待分析元素的二次離子。基于在濃度低于1%的情況下，離子產額與離子濃度呈現線性關系，通過標準樣品計算出元素相對材料的離子產額系數，即相對靈敏度因子(RSF)，將樣品中元素的二次離子計數轉換為濃度。通過臺階儀測量SIMS濺射深度，將測試時間轉換為深度，最終可得到待分析樣品表面的元素濃度或元素組成隨深度分布情況。
 

　　圖1為檢測中心現有的DSIMS設備，為法國CAMECA公司生產的最新款扇形磁場二次離子質譜儀IMS 7F Auto。具有以下6個重要優勢特點：
 

　　1、可以測試元素周期表中包含H在內的所有元素及同位素；
 

　　2、質量分辨率高達20000，可以有效排除質量干擾；
 

　　3、深度分辨率高達達1nm內；
 

　　4、極低的檢出限(ppm~ppb);
 

　　5、濃度檢測動態范圍大，可實現同一條件下檢測不同摻雜量級的元素分析；
 

　　6、微小區域分析(分析面積目前可達到30μm)。
 

　　SIMS在LED器件中的應用
 

　　在基于GaN、GaAs、GaP等多層結構材料的LED器件中，控制摻雜元素(如Mg, Zn, Fe, Si)的濃度和摻雜深度，以及減少器件的雜質元素含量(如H、C、O)對于器件的特性尤為重要。圖2為IMS 7F Auto分析的AlGaN/InGaN LED器件中C、H、O元素的雜質含量SIMS深度剖析，其中Al和In為基體元素。圖3為Al/GaN/InGaN LED器件中P型摻雜Mg元素和N型摻雜Si元素的SIMS深度剖析。圖4為 GaP基 LED器件中C、H、O、Si和Zn元素 40μm高通量SIMS深度剖析。本中心配備了GaN材料中C、O、Mg、Si元素標準樣品，可以實現元素的精確定量和非標樣品的定性分析。