AlGaN表面相分離的同位微區(qū)熒光光譜和高空間分辨表面電勢(shì)表征*

劉博陽(yáng) 宋文濤 劉爭(zhēng)暉 孫曉娟 王開(kāi)明 王亞坤1)張春玉 陳科蓓 徐耿釗 1) 徐科1)? 黎大兵

1) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)納米技術(shù)與納米仿生學(xué)院, 合肥 230026)

2) (中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所， 蘇州 215123)

3) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 蘇州 215123)

4) (中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 長(zhǎng)春 130033)

(2020 年1 月14日收到; 2020 年4 月7日收到修改稿)

AlGaN是制備深紫外光電器件和電子器件的重要材料. 隨著Al組分的增加， AlGaN材料表面容易出現(xiàn)局域組分不均勻的相分離現(xiàn)象， 進(jìn)而影響器件的性能. 為了探索相分離的微觀機(jī)制， 本文采用了同位的共聚焦微區(qū)熒光光譜和掃描開(kāi)爾文探針顯微術(shù)對(duì)不同Al組分的AlGaN表面相分離現(xiàn)象進(jìn)行了表征. 三片樣品的Al組分比分別約為0.3， 0.5和0.7. 本文采用的基于雙頻鎖相的單次掃描開(kāi)爾文探針顯微術(shù)， 可獲得高空間分辨(約10 nm)的表面電勢(shì)像. 在微區(qū)熒光光譜中出現(xiàn)明顯相分離現(xiàn)象的區(qū)域， 利用此方法獲得的表面電勢(shì)像可以清晰地觀察到犬牙交錯(cuò)的臺(tái)階及其表面凹坑邊緣的電勢(shì)變化， 對(duì)應(yīng)組分的不均勻性. 隨著臺(tái)階轉(zhuǎn)入臺(tái)階流的形態(tài)， 表面凹坑逐漸縮小和合并， 臺(tái)階和凹坑邊緣不再出現(xiàn)明顯的電勢(shì)疇界， 光譜中相分離的現(xiàn)象消失.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， AlGaN表面的臺(tái)階和凹坑邊緣是產(chǎn)生組分不均勻性， 進(jìn)而在光譜中產(chǎn)生相分離現(xiàn)象的主要原因; 結(jié)合同位微區(qū)熒光光譜， 高分辨的掃描開(kāi)爾文探針顯微術(shù)是一種有效的表征AlGaN相分離微觀機(jī)制的方法.

1 引 言

AlGaN作為一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料， 隨著Al組分比例的變化， 其帶隙可在3.4到6.2 eV之間調(diào)節(jié). 近年來(lái)， AlGaN材料被廣泛應(yīng)用于固態(tài)深紫外光電器件領(lǐng)域， 包括深紫外發(fā)光二極管、激光器和光電探測(cè)器等[1-3]. 此外AlGaN也是制備高電子遷移率晶體管和高擊穿電壓的肖特基二極管等電子電力器件的重要材料[4-8]. 這些器件的性能都嚴(yán)重依賴于其中AlGaN材料的晶體質(zhì)量. 尤其是對(duì)于高Al組分的AlGaN材料， 由于外延生長(zhǎng)過(guò)程中Al和Ga的表面遷移速率差異很大，容易出現(xiàn)局域組分不均勻的相分離現(xiàn)象[9-11]. 這可能會(huì)造成局域態(tài)增加， 影響載流子輸運(yùn)與光發(fā)射過(guò)程， 從而使器件發(fā)光性能下降， 產(chǎn)生期望之外的發(fā)光峰[12，13]. 為提高器件性能， 在生長(zhǎng)工藝上， 人們通過(guò)調(diào)控生長(zhǎng)過(guò)程中的應(yīng)力等方法， 探索如何有效地抑制相分離現(xiàn)象[14]; 在測(cè)試分析上， 也試圖通過(guò)各種方法對(duì)相分離背后的微觀機(jī)制進(jìn)行研究， 從而為改進(jìn)工藝提供支撐. 相分離的一個(gè)主要特征是在熒光光譜中出現(xiàn)多個(gè)發(fā)光峰. 通常的微區(qū)熒光光譜空間分辨率在微米尺度[9]， 適用于10 μm以上較大的V型坑和缺陷結(jié)構(gòu)周?chē)墓庾V變化， 對(duì)應(yīng)于組分的不均勻性. 對(duì)于更小的結(jié)構(gòu)， 可以使用陰極射線熒光光譜(CL)[15，16]和掃描近場(chǎng)光學(xué)探針顯微術(shù) (SNOM)[10，17-19]的方法進(jìn)行測(cè)量， 分辨率在100 nm左右. 例如Knauer等[15]使用CL的方法，在臺(tái)階邊緣發(fā)現(xiàn)有組分不均勻引起的發(fā)光峰偏離.Pinos 等[10，18]采用 SNOM 的方法， 在 AlGaN 表面島狀結(jié)構(gòu)的邊緣， 發(fā)現(xiàn)有近場(chǎng)熒光光譜峰的偏移，對(duì)應(yīng)Ga組分在臺(tái)階附近的富集現(xiàn)象.

本文采用了同位的共聚焦微區(qū)熒光光譜和掃描開(kāi)爾文探針顯微術(shù)對(duì)不同Al組分的AlGaN表面相分離現(xiàn)象進(jìn)行了表征. 其中采用的基于雙頻鎖相的單次掃描開(kāi)爾文探針顯微術(shù)[20]， 可將表面電勢(shì)的分辨率提高到小于10 nm. 在微區(qū)光譜中出現(xiàn)相分離現(xiàn)象的區(qū)域， 利用此方法獲得的表面電勢(shì)像可以清晰地觀察到犬牙交錯(cuò)的臺(tái)階及其表面凹坑邊緣的電勢(shì)變化， 對(duì)應(yīng)于組分的不均勻性. 隨著臺(tái)階轉(zhuǎn)入臺(tái)階流的形態(tài)， 凹坑逐漸縮小和合并， 臺(tái)階和凹坑邊緣不再出現(xiàn)明顯的電勢(shì)疇界， 光譜中相分離的現(xiàn)象消失. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 結(jié)合同位微區(qū)熒光光譜， 高分辨的掃描開(kāi)爾文探針顯微術(shù)是一種有效的表征AlGaN相分離微觀機(jī)制的方法.

圖 1 (a) Al0.3Ga0.7N樣品剖面的SEM圖; (b) Al0.5Ga0.5N樣品剖面的SEM圖; (c) Al0.7Ga0.3N樣品剖面的SEM圖; (a)， (b)和(c)圖中分別用紅框和黃框標(biāo)記了AlGaN層與AlN層的位置， 并在框中顯示了測(cè)量得到的厚度; (d)中從左至右分別為Al0.3Ga0.7N， Al0.5Ga0.5N和Al0.7Ga0.3N樣品利用橢偏儀測(cè)量得到的吸收系數(shù)擬合帶隙的結(jié)果Fig. 1. (a) The SEM image of the Al0.3Ga0.7N Sample; (b) the SEM image of the Al0.5Ga0.5N Sample; (c) the SEM image of the Al0.7Ga0.3N Sample. The AlGaN and AlN layers in (a)， (b) and (c) are marked with red and yellow squares respectively， in addition with the thickness labeled. (d) From left to right， the curves show the absorption coefficients of Al0.3Ga0.7N， Al0.5Ga0.5N and Al0.7Ga0.3N samples， respectively. The absorption coefficients are measured by an ellipsometer and the band gaps are fitted out and labeled.

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的樣品為金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的三片AlGaN樣品， 文中的樣品編號(hào)分別為 Al0.3Ga0.7N， Al0.5Ga0.5N 和 Al0.7Ga0.3N， 對(duì)應(yīng)的Al組分比分別為0.3， 0.5和0.7. AlGaN外延層生長(zhǎng)在有AlN模板的藍(lán)寶石襯底上. 使用冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(日本HITACHI公司的S-4800 SEM)對(duì)三片樣品進(jìn)行了觀察， Al0.3Ga0.7N， Al0.5Ga0.5N和Al0.7Ga0.3N樣品的SEM剖面圖分別如圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)所示， 其中對(duì)AlGaN層和AlN層的厚度進(jìn)行了標(biāo)記.

采用橢偏儀對(duì)三片樣品的吸收系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量. 橢偏儀型號(hào)為J.A.Woollam公司的M-2000DI光譜型橢圓偏振測(cè)量?jī)x. 通過(guò)擬合橢偏儀測(cè)得的反射譜可獲得樣品的折射率n與消光系數(shù)k， 由k獲得吸收系數(shù)， 從而確定三片樣品的禁帶寬度.

微區(qū)熒光光譜是采用實(shí)驗(yàn)室自主研制的一套深紫外共聚焦時(shí)間分辨熒光光譜系統(tǒng)獲得的， 激發(fā)光源為195—300 nm可調(diào)節(jié)的飛秒脈沖光源， 激光通過(guò)25倍反射式物鏡聚焦到樣品表面， 激發(fā)的熒光通過(guò)同樣的物鏡收集后， 通過(guò)一系列濾光片，聚焦到 100 μm的針孔后， 被光譜儀接收， 從而獲得共聚焦熒光光譜. 該設(shè)備的光譜空間分辨率在2 μm左右. 由于三片樣品的帶隙跨度大， 不同樣品的激發(fā)波長(zhǎng)有所不同: 對(duì)于Al0.3Ga0.7N樣品采用266 nm波長(zhǎng)的脈沖激光， 平均功率約為1 mW; 對(duì)于Al0.5Ga0.5N樣品采用226 nm波長(zhǎng)的脈沖激光，平均功率約為1.2 mW; 對(duì)于Al0.7Ga0.3N樣品采用195 nm波長(zhǎng)的脈沖激光， 平均功率約為0.5 mW.

表面電勢(shì)通過(guò)Bruker Multimode原子力顯微鏡掃描獲得， 由光學(xué)顯微鏡中的標(biāo)記點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與微區(qū)熒光光譜的同位測(cè)試. 利用我們自主研制和擴(kuò)展的雙頻鎖相的單次掃描開(kāi)爾文探針顯微術(shù)， 可將表面電勢(shì)的分辨率提高到小于10 nm. 目前應(yīng)用較廣的抬高模式開(kāi)爾文探針顯微術(shù)測(cè)試表面電勢(shì)時(shí)， 是在第一次形貌掃描的基礎(chǔ)上， 將針尖抬高數(shù)十納米，沿著形貌掃描的軌跡掃描， 同時(shí)在導(dǎo)電探針上施加與形貌掃描同頻率的交流電壓， 通過(guò)在針尖上補(bǔ)償針尖和樣品間的電勢(shì)差， 使得交流電壓引起的探針機(jī)械振動(dòng)消失. 針尖上補(bǔ)償?shù)碾妱?shì)差即為測(cè)量得到的表面電勢(shì). 而本文中采用的雙頻鎖相的單次掃描方法， 在形貌掃描的同時(shí)， 額外采用針尖的第二共振頻率施加在導(dǎo)電探針上， 從而實(shí)現(xiàn)在單次掃描中同時(shí)獲得形貌與表面電勢(shì)像. 由于不需要針尖抬高， 因此電勢(shì)的空間分辨率可以得到較大的提高[20].實(shí)驗(yàn)采用Bruker公司的SCM-PIT導(dǎo)電針尖， 形貌測(cè)試采用的第一本征頻率約為67.04 Hz， 表面電勢(shì)測(cè)試采用的第二本征頻率約為420.94 Hz. 在本文對(duì)AlGaN樣品表面的表征中， 用該方法可以清晰地分辨表面電勢(shì)的疇界， 典型的空間分辨率可達(dá)到約19 nm (詳見(jiàn)圖2(b)及相關(guān)討論).

3 結(jié)果與分析

3.1 帶隙擬合和組分估算

圖1(d)顯示了通過(guò)橢偏儀測(cè)量得到的吸收系數(shù)擬合帶隙的結(jié)果. AlGaN為直接帶隙半導(dǎo)體， 根據(jù) Tauc 公式[21，22]， 吸收系數(shù)和光子能量有以下關(guān)系:

3.2 Al0.5Ga0.5N的熒光光譜和表面電勢(shì)

Al0.5Ga0.5N樣品的Al組分比例約為0.5. 該樣品的表面性質(zhì)不太均勻， 測(cè)量表面不同位置時(shí)，出現(xiàn)了兩種典型的熒光光譜， 分別如圖2(a)和圖3(a)所示， 其對(duì)應(yīng)的表面形貌和表面電勢(shì)像如圖2(c)—(f)和圖3(c)—(f)所示.

從圖2(a)可以看到3個(gè)熒光峰， 明顯分離為兩組， 峰位分別為 261.0， 305.3 和 314.1 nm， 根據(jù)(2)式可以估算3個(gè)發(fā)光峰對(duì)應(yīng)的組分比分別為0.57， 0.30和0.26. 第一個(gè)發(fā)光峰的位置和預(yù)期的0.5組分比的AlGaN發(fā)光峰位置基本一致， 也和橢偏儀測(cè)量得到的帶隙位置接近. 第二個(gè)峰與第三個(gè)峰則對(duì)應(yīng)了兩個(gè)明顯富Ga的組分， 這說(shuō)明該區(qū)域有明顯的相分離現(xiàn)象. 這兩個(gè)深能級(jí)峰位與第一個(gè)峰在光子能量上相距約0.7 eV， 其可能的來(lái)源是由于缺少Al形成的(陽(yáng)離子空位-雜質(zhì))缺陷， 例如帶一個(gè)負(fù)電荷的(VAl-2ON)1—空位缺陷[26]. 圖2(c)和圖2(d)為大范圍(10 μm)的表面形貌像和表面電勢(shì)像， 可以看到其臺(tái)階呈現(xiàn)犬牙交錯(cuò)的形態(tài). 臺(tái)階表面有大量的凹坑， 凹坑處的表面電勢(shì)與周?chē)_(tái)面位置的電勢(shì)明顯不同. 圖2(e)和圖2(f)為小范圍(3 μm)的表面形貌像和表面電勢(shì)像， 從表面形貌像可以看到凹坑的形狀很不規(guī)則， 呈現(xiàn)扭曲的條帶狀， 從表面電勢(shì)像看， 各個(gè)凹坑處的電勢(shì)與周?chē)忻黠@的不同. 圖2(e)中標(biāo)記1和圖2(f)中標(biāo)記2的位置對(duì)應(yīng)同一個(gè)凹坑， 其形貌和電勢(shì)的剖面圖分別對(duì)應(yīng)圖2(b)-1和圖2(b)-2中. 從剖面圖中可見(jiàn)凹坑的深度約為26 nm， 對(duì)應(yīng)電勢(shì)比周?chē)_(tái)面高出約23 mV. 從以上表面電勢(shì)像中可以看到凹坑和臺(tái)面位置呈現(xiàn)界限分明的兩種電勢(shì)區(qū)域， 很可能對(duì)應(yīng)兩種不同的組分. 由于Ga和Al組分在表面的遷移速率有很大差異， Ga原子的遷移率遠(yuǎn)大于Al原子[9-11]. 因此Al組分的分布可能相對(duì)均勻.而凹坑包含的位錯(cuò)和臺(tái)階等缺陷可以減緩Ga原子的遷移速率， 因此相對(duì)臺(tái)面位置， 有利于形成富集 Ga 的區(qū)域[10，11，27]， 相應(yīng)可能形成大量的 Al空位-雜質(zhì)缺陷， 對(duì)應(yīng)圖2(a)中的深能級(jí)發(fā)光峰.

圖2(b)下圖的表面電勢(shì)剖面圖中， 用紅線標(biāo)記了電勢(shì)疇界的邊緣位置: 下降沿的寬度約為19 nm， 這反映了我們所采用的雙頻單次掃描開(kāi)爾文探針顯微術(shù)在應(yīng)用于AlGaN半導(dǎo)體材料時(shí)可達(dá)到的典型分辨率.

圖 2 Al0.5Ga0.5N樣品表面有明顯相分離現(xiàn)象的區(qū)域 (a)該區(qū)域的典型熒光光譜; (b)上圖和下圖分別為形貌和表面電勢(shì)的剖面圖， 對(duì)應(yīng)于圖(e)中標(biāo)記1的位置和圖(f)中標(biāo)記2的位置; 如紅線所示， 下圖中電勢(shì)剖面圖的下降沿寬度約為19 nm， 說(shuō)明了我們采用的雙頻單次掃描開(kāi)爾文探針顯微術(shù)的典型空間分辨率; (c)和(d)掃描尺寸為10 μm時(shí)的表面形貌像及對(duì)應(yīng)表面電勢(shì)像;(e) 和 (f)掃描尺寸為3 μm時(shí)的表面形貌像及對(duì)應(yīng)表面電勢(shì)像; 圖(e)中白色橫線標(biāo)記1和圖(f)中標(biāo)記2對(duì)應(yīng)同一位置Fig. 2. The area with obvious phase separation phenomenon on the Al0.5Ga0.5N sample surface. (a) A typical photoluminescence spectrum of the area. (b) Profiles of the topography and the surface potential shown in plot 1 and 2， respectively. The profile of the topography is extracted from mark 1 in panel (e). The profile of the surface potential is extracted from the mark 2 in panel (f). The width of the falling edge marked by red lines in the profile of the surface potential is about 19 nm. This value presents the typical spatial resolution of the single-pass Kelvin force probe microscopy we applied. (c) and (d) The topography image and the surface potential image， respectively， obtained at the same area with a scan size of 10 μm. (e) and (f) The topography image and the surface potential image， respectively， obtained at the same area with a scan size of 3 μm. The white lines marked by 1 in panel (e) and 2 in panel (f) are picked at the same position.

圖3(a)中的熒光峰則沒(méi)有出現(xiàn)明顯的相分離現(xiàn)象， 單峰擬合的峰位為265.9 nm， 和橢偏儀測(cè)量得到的帶隙位置接近. 該發(fā)光波長(zhǎng)根據(jù)前述(2)式估算的組分比為0.54， 也接近0.5的組分比預(yù)期.從圖3(c)所示的對(duì)應(yīng)區(qū)域的原子力顯微鏡形貌像可以看到， 其表面臺(tái)階形態(tài)和圖2中有相分離區(qū)域的形貌迥異， 主要是由一些數(shù)微米大小的島狀臺(tái)面構(gòu)成， 圖3(d)的表面電勢(shì)像顯示島狀臺(tái)階的邊緣電勢(shì)和周?chē)幸欢ǖ膮^(qū)別， 但臺(tái)面上電勢(shì)基本均勻. 從圖3(e)所示的小范圍(3 μm)的表面形貌可以看到， 臺(tái)面上依然存在凹坑， 但凹坑數(shù)量大大減少， 凹坑面積和圖2相比也大大縮小. 圖3(b)-1顯示的是一處較大的凹坑處的形貌剖面圖， 可以看到該凹坑的深度和圖2(b)-1中的凹坑相比， 深度減小到3—6 nm， 對(duì)應(yīng)的表面電勢(shì)(圖3(b)-2)比周?chē)叱黾s10—25 mV. 而圖3(d)中更小的凹坑處的電勢(shì)沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的疇界. 可見(jiàn)該區(qū)域隨著臺(tái)階逐漸轉(zhuǎn)向臺(tái)階流生長(zhǎng)， 臺(tái)面不再支離破碎， 凹坑逐漸合并， 其大小和數(shù)量大大減少， 從而抑制了Ga原子在臺(tái)階邊緣的富集， 同時(shí)也抑制了相分離現(xiàn)象的出現(xiàn).

圖 3 Al0.5Ga0.5N樣品表面沒(méi)有明顯相分離現(xiàn)象的區(qū)域 (a) 該區(qū)域的典型熒光光譜; (b)上圖和下圖分別為形貌和表面電勢(shì)的剖面圖， 對(duì)應(yīng)圖(e)中標(biāo)記1的位置和圖(f)中標(biāo)記2的位置; (c) 和 (d) 掃描尺寸為10 μm時(shí)的表面形貌像及對(duì)應(yīng)表面電勢(shì)像;(e)和(f) 掃描尺寸為3 μm時(shí)的表面形貌像及對(duì)應(yīng)表面電勢(shì)像; 圖(e)中白色橫線標(biāo)記1和圖(f)中標(biāo)記2對(duì)應(yīng)同一位置Fig. 3. The area without phase separation phenomenon on the Al0.5Ga0.5N sample surface. (a) A typical photoluminescence spectrum of the area. (b) Profiles of the topography and the surface potential shown in the plot 1 and 2， respectively. The profile of the topography is extracted from mark 1 in panel (e). The profile of the surface potential is extracted from the mark 2 in panel (f). (c)and (d) The topography image and the surface potential image， respectively， obtained at the same area with a scan size of 10 μm.(e) and (f) The topography image and the surface potential image， respectively， obtained at the same area with a scan size of 3 μm.The white lines marked by 1 in panel (e) and 2 in panel (f) are picked at the same position.

3.3 Al0.3Ga0.7N和Al0.7Ga0.3N的熒光光譜和表面電勢(shì)

Al組分為0.3的Al0.3Ga0.7N樣品和Al組分為0.7的Al0.7Ga0.3N樣品表面形態(tài)比較均勻， 其典型的熒光光譜、表面形貌和表面電勢(shì)像分別顯示在圖4和圖5中.

Al0.3Ga0.7N樣品的熒光光譜如圖4(a)所示，呈現(xiàn)出輕微的相分離的現(xiàn)象， 多峰擬合的結(jié)果表明其熒光峰峰位為304.9和311.4 nm， 對(duì)應(yīng)由(2)式計(jì)算得到的 Al組分比為0.31和 0.27. 其10 μm和3 μm范圍的表面形貌如圖4(c)和圖4(e)所示，其臺(tái)階形態(tài)與前述Al0.5Ga0.5N樣品中沒(méi)有相分離現(xiàn)象的區(qū)域類(lèi)似， 呈現(xiàn)島狀臺(tái)面， 臺(tái)面上表面電勢(shì)基本均勻; 有少量的凹坑. 圖4(e)和圖4(f)中標(biāo)記的位置是一個(gè)較大的凹坑結(jié)構(gòu)， 其深度在30 nm左右， 表面電勢(shì)比周?chē)图s15 mV. 可以看到這個(gè)樣品在凹坑周?chē)m然可能有一定的組分不均勻現(xiàn)象， 但由于凹坑較少， 所以在光譜中已經(jīng)看不到明顯相分離的現(xiàn)象.

Al0.7Ga0.3N樣品的熒光光譜如圖5(a)所示，呈現(xiàn)出輕微的相分離的現(xiàn)象， 多峰擬合的結(jié)果表明其熒光峰峰位為236.3和239.9 nm， 對(duì)應(yīng)由(2)式計(jì)算得到的Al組分比為0.73和0.70， 這與橢偏儀測(cè)試得到的帶隙結(jié)果基本一致. 其10 μm和3 μm范圍的表面形貌如圖5(c)和圖5(e)所示， 臺(tái)階呈現(xiàn)典型的臺(tái)階流形態(tài)， 只有極少量的凹坑分布. 從圖5(d)和圖5(f)的電勢(shì)像可以看得到， 電勢(shì)中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的疇界. 從圖5(b)中電勢(shì)的剖面圖可以看到， 其電勢(shì)起伏在5 mV左右. 可見(jiàn)在這種形態(tài)的表面， 沒(méi)有Ga元素的富集現(xiàn)象， 也基本沒(méi)有出現(xiàn)相分離.

圖 4 Al0.3Ga0.7N樣品表面 (a) 該區(qū)域的典型熒光光譜; (b)上圖和下圖分別為形貌和表面電勢(shì)的剖面圖， 對(duì)應(yīng)圖(e)中標(biāo)記1的位置和圖(f)中標(biāo)記2的位置; (c)和(d)掃描尺寸為10 μm時(shí)的表面形貌像及對(duì)應(yīng)表面電勢(shì)像; (e)和(f)掃描尺寸為3 μm時(shí)的表面形貌像及對(duì)應(yīng)表面電勢(shì)像; 圖(e) 中白色橫線標(biāo)記1和圖(f)中標(biāo)記2對(duì)應(yīng)同一位置Fig. 4. The area on the Al0.3Ga0.7N sample surface. (a) A typical photoluminescence spectrum of the area. (b) Profiles of the topography and the surface potential shown in the plot 1 and 2， respectively. The profile of the topography is extracted from mark 1 in panel (e). The profile of the surface potential is extracted from the mark 2 in panel (f). (c) and (d) The topography image and the surface potential image， respectively， obtained at the same area with a scan size of 10 μm. (e) and (f) The topography image and the surface potential image， respectively， obtained at the same area with a scan size of 3 μm. The white lines marked by 1 in panel(e) and 2 in panel (f) are picked at the same position.

3.4 相分離微觀結(jié)構(gòu)相的形成機(jī)理

在上述內(nèi)容中， 通過(guò)同位微區(qū)熒光光譜與高空間分辨表面電勢(shì)表征的方法， 對(duì)Al0.3Ga0.7N， Al0.5Ga0.5N和Al0.7Ga0.3N三片樣品表面的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行了對(duì)比與分析， 發(fā)現(xiàn)表面平坦區(qū)域的表面電勢(shì)往往較為單一、穩(wěn)定; 臺(tái)階邊緣或表面凹坑處表面電勢(shì)則明顯異于其他平坦區(qū)域， 可能對(duì)應(yīng)于熒光光譜中的富Ga和深能級(jí)的發(fā)光峰. 這與之前文獻(xiàn)中的報(bào)道相符. 例如， Knauer等[15]曾在2013年使用CL方法在島狀形貌的臺(tái)階邊緣發(fā)現(xiàn)了由組分波動(dòng)引起的發(fā)光峰偏離(類(lèi)似于圖4和圖5中有輕微相分離的光譜)和Al空位-雜質(zhì)缺陷引起的深能級(jí)發(fā)光(類(lèi)似于圖2中有明顯相分離的光譜). Pinos等[10]曾在2011年采用SNOM的方法， 在AlGaN表面數(shù)微米的島狀結(jié)構(gòu)的邊緣發(fā)現(xiàn)有近場(chǎng)熒光光譜峰的偏移， 類(lèi)似于圖4和圖5中有輕微相分離的光譜.

我們認(rèn)為AlGaN表面產(chǎn)生相分離微觀結(jié)構(gòu)相的主要原因在于Al原子與Ga原子的表面遷移速度不同[9-11]， 從而與臺(tái)階和缺陷相互作用形成不同組分比的微觀結(jié)構(gòu)相. 在AlGaN的生長(zhǎng)過(guò)程中，相鄰的島逐漸合并形成更大的島， 島與島合并的邊緣位置容易產(chǎn)生位錯(cuò)等缺陷， 從而形成類(lèi)似圖2原子力顯微鏡形貌圖中的凹坑結(jié)構(gòu)， Ga原子的遷移率遠(yuǎn)大于Al原子[9-11]， 而凹坑包含的位錯(cuò)和臺(tái)階等缺陷結(jié)構(gòu)可減緩Ga原子的遷移速率， 因此相對(duì)其他位置， 有利于形成富 Ga 而少 Al的區(qū)域[10，11，27]，進(jìn)而可能包含大量的Al空位-雜質(zhì)缺陷， 形成類(lèi)似圖2熒光光譜中的深能級(jí)發(fā)光. 隨著生長(zhǎng)過(guò)程的推進(jìn)， 島狀生長(zhǎng)轉(zhuǎn)入臺(tái)階流的形態(tài)， 表面凹坑大大減少， 則深能級(jí)的發(fā)光基本消失. 這時(shí)相分離的情況主要出現(xiàn)在島狀結(jié)構(gòu)的邊緣， 由于臺(tái)階對(duì)Ga原子的阻滯引起組分的輕微波動(dòng)， 從而在光譜中產(chǎn)生類(lèi)似圖4和圖5的輕微相分離的光譜.

圖 5 Al0.7Ga0.3N樣品表面 (a) 該區(qū)域的典型熒光光譜; (b)上圖和下圖分別為形貌和表面電勢(shì)的剖面圖， 對(duì)應(yīng)圖(e)中標(biāo)記1的位置和圖(f)中標(biāo)記2的位置; (c)和(d)掃描尺寸為10 μm的表面形貌像及對(duì)應(yīng)表面電勢(shì)像; (e) 和 (f)掃描尺寸為3 μm時(shí)的表面形貌像及對(duì)應(yīng)表面電勢(shì)像; 圖(e) 中白色橫線標(biāo)記1和圖(f)中標(biāo)記2對(duì)應(yīng)同一位置Fig. 5. The area on the Al0.7Ga0.3N sample surface. (a) A typical photoluminescence spectrum of the area. (b) profiles of the topography and the surface potential shown in the plot 1 and 2， respectively. The profile of the topography is extracted from mark 1 in panel (e). the profile of the surface potential is extracted from the mark 2 in panel (f). (c) and (d) the topography image and the surface potential image， respectively， obtained at the same area with a scan size of 10 μm. (e) and (f) the topography image and the surface potential image， respectively， obtained at the same area with a scan size of 3 μm. The white lines marked by 1 in panel(e) and 2 in panel (f) are picked at the same position.

4 結(jié) 論

本文采用了同位的共聚焦微區(qū)熒光光譜和掃描開(kāi)爾文探針顯微術(shù)對(duì)不同Al組分的AlGaN表面相分離現(xiàn)象進(jìn)行了研究. 其中Al組分比例為0.5的樣品表面不同區(qū)域呈現(xiàn)出有相分離和無(wú)相分離的兩種典型熒光光譜. 其中有相分離的區(qū)域臺(tái)階形態(tài)支離破碎， 犬牙交錯(cuò)， 表面存在大量凹坑. 在高分辨的表面電勢(shì)像中凹坑的表面電勢(shì)和周?chē)缦薹置鳎?顯示這些凹坑邊緣可能是富Ga的區(qū)域，是熒光光譜出現(xiàn)相分離現(xiàn)象的來(lái)源. 無(wú)相分離的區(qū)域臺(tái)階形態(tài)呈現(xiàn)島狀結(jié)構(gòu)， 臺(tái)面的凹坑尺寸和深度都大大縮小， 島狀臺(tái)階的邊緣電勢(shì)有一定起伏， 但臺(tái)階表面電勢(shì)基本均勻. Al組分為0.3和0.7的樣品的熒光光譜中只有輕微的相分離現(xiàn)象， 對(duì)應(yīng)的臺(tái)階形態(tài)分別為島狀臺(tái)面和臺(tái)階流的形態(tài)， 共同特征是表面僅有少量的凹坑結(jié)構(gòu)， 凹坑邊緣雖然有明顯的電勢(shì)起伏， 但由于凹坑數(shù)量較少， 不足以引起光譜中產(chǎn)生明顯的相分離現(xiàn)象. 實(shí)驗(yàn)表明， AlGaN表面的臺(tái)階和凹坑邊緣是產(chǎn)生組分不均勻性， 進(jìn)而在光譜中產(chǎn)生相分離現(xiàn)象的主要原因; 結(jié)合同位微區(qū)熒光光譜， 高分辨的掃描開(kāi)爾文探針顯微術(shù)是一種有效的表征AlGaN相分離微觀機(jī)制的方法.