近些年來，隨著我國的大力投入，第三代半導(dǎo)體材料及相關(guān)器件發(fā)展迅速，其中作為第三代半導(dǎo)體材料的主要代表之一的氮化鎵材料在光電子器件、半導(dǎo)體照明、電力電子器件以及射頻器件領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)異，技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)u趨成熟。
 

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

　　二次離子質(zhì)譜(SIMS)技術(shù)作為高靈敏度(ppm~ppb數(shù)量級)和高深度分辨率(約1nm)的表面分析技術(shù)，在材料及器件的摻雜、元素沾污和材料組成定量分析中優(yōu)勢突出，既能根據(jù)SIMS標(biāo)準(zhǔn)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(qū)域摻雜元素、沾污及雜質(zhì)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(yè)和科研團(tuán)隊在生產(chǎn)工藝優(yōu)化、設(shè)備校準(zhǔn)、質(zhì)量控制、科學(xué)研究中提供重要的分析和參考作用。
 

　　SIMS簡介
 

　　二次離子質(zhì)譜(SIMS)技術(shù)的原理是，銫或氧離子源產(chǎn)生的一次離子經(jīng)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(qū)，使樣品表面濺射出多種粒子(中性原子或分子，帶正或負(fù)電的原子、分子和離子)。通過質(zhì)量分析器對電離的二次粒子按照荷質(zhì)比進(jìn)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(chǎn)額與離子濃度呈現(xiàn)線性關(guān)系，通過標(biāo)準(zhǔn)樣品計算出元素相對材料的離子產(chǎn)額系數(shù)，即相對靈敏度因子(RSF)，將樣品中元素的二次離子計數(shù)轉(zhuǎn)換為濃度。通過臺階儀測量SIMS濺射深度，將測試時間轉(zhuǎn)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(xiàn)有的DSIMS設(shè)備，為法國CAMECA公司生產(chǎn)的最新款扇形磁場二次離子質(zhì)譜儀IMS 7F Auto。具有以下6個重要優(yōu)勢特點：
 

　　1、可以測試元素周期表中包含H在內(nèi)的所有元素及同位素；
 

　　2、質(zhì)量分辨率高達(dá)20000，可以有效排除質(zhì)量干擾；
 

　　3、深度分辨率高達(dá)達(dá)1nm內(nèi)；
 

　　4、極低的檢出限(ppm~ppb);
 

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

　　6、微小區(qū)域分析(分析面積目前可達(dá)到30μm)。
 

　　SIMS在LED器件中的應(yīng)用
 

　　在基于GaN、GaAs、GaP等多層結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)樣品，可以實現(xiàn)元素的精確定量和非標(biāo)樣品的定性分析。