3教育部新世纪优秀人才计划；河北省自然科学基金项目(E2005000042)
原子力显微镜在GaN 研究中的应用3
王其民 赵丽伟 滕晓云 张 帷 刘彩池(河北工业大学信息功能材料研究所 天津 300130)
摘 要 本文采用原子力显微镜(AFM )对Si 基外延G aN 的形貌及出现的V 缺陷进行研 究。实验结果表明,G aN 外延层厚度为015μm 时粗糙度最低且没有裂纹出现；厚度为
014μm 的G aN 表面出现小坑———V 缺陷，密度约为108cm 22。关键词 原子力显微镜 G aN 服装人台
表面形貌 V 缺陷
气雾阀引言
原子力显微镜(AFM )是一种可对物质的表面
形貌、表面微结构等信息进行综合测量和分析的第三代显微镜。具有分辨率高、工作环境要求低、待测样品要求低、成像载体种类多以及制样简单、不需要重金属投影等优点，在科学研究中得到广泛应 用〔1,2〕。近年来，随着G aN 器件的快速发展，对材料性质的研究越来越重要。在器件研究过程中发现,G aN 的表面形貌及其含有的缺陷都会影响器件
电动橡皮的性能〔3〕
，因此有必要对G aN 的形貌和缺陷进行研究。本文首次利用AFM 观察G aN 的表面形貌和
夜光路面
V 缺陷。
1 AF M 的工作原理
AFM 是近年来出现的精密表面测量仪器，其分
辨率达到原子量级，探测范围从100μm ～1nm ，可以给出样品表面结构的定量信息和立体图像，是目前表面分析的权威手段之一。
AFM 是依靠测量探针和样品表面的作用力来成像的，其基本工作原理(见图1)。在一个对原子间微弱力极其敏感的微悬臂的一端有一微小探针，当探针在样品表面扫描至接近原子级间距时，探针尖端的原子与样品表面的原子之间就会产生极其微弱的作用力，从而使微悬臂发生一定程度的弯曲。通过光电检测系统对微悬臂的偏转进行扫描，测得其对应于扫描各点的位置变化，将信号放大即得到原子之间力的微弱变化的信号，从而获得样品表面的微观结构。控制系统将信号反馈给扫描平台，并传送给计算机进行图像存储与处理。本实验采用DI (Digital Instruments )公司生产的型号为Nam oscope Ⅲa 的AFM 。
图1 激光检测原子显微镜的工作原理示意图
2 实验
实验使用的G aN 样品是利用金属有机化学气相沉积工艺在Si (111)衬底上外延生长的G aN 薄膜，以三甲基镓(T M 2G a )、三甲基铝(T M Al )和高纯NH 3气分别为G a 源、Al 源和N 源，氢气为载气。G aN 外延层的生长时间分别为600s 、800s 、1000s 和1200s ，厚度约013μm ,014μm ,015μm 和016μm ，记为样品A 、B 、C 、D ，用原子力显微镜观察其表面形貌并测量粗糙度，然后对样品C 中
出现的小坑进行观测。
根据AFM 对样品制备的要求，在不同G aN 样片中心区域内分别解理出直径小于1cm 样品，用高纯水冲洗后，进行超声波清洗以保证样品表面的清洁，最后在AFM 下进行观察。
3 结果与讨论
311 AFM 观测GaN 表面形貌
生长完毕，用AFM 观测4个样品的表面形貌
(见图2)。
从SE M 观察中可以看出,G aN 生长按照Volmer -Weber 模式4进行生长,G aN 膜的生长过程大致可
以分为如下4个阶段:31111 成核阶段(见图2a ) 沉积到衬底上的原子，除其中一部分与衬底原子进行少量的能量交换之后，由于本身仍具有相当高的能量而又很快返回
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2二○○六年・第四期
研究报告
气相之外，还有一部分经过能量交换之后则被吸附在衬底表面上，这时的吸附主要是物理吸附。原子将在衬底表面停留一定时间，由于原子本身还具有一定的能量，同时也可以由衬底原子处得到部分能量，因此，沉积原子就可以在衬底表面进行扩散或迁移。其结果有两种可能，一是再蒸发而返回气相；另一种可能是与衬底发生化学反应而变物理吸附为化学吸附。此后若再遇到其他的沉积原子便会形成原子对或原子集团，逐渐形成稳定的凝聚核。31112 小岛阶段(见图2b ) 稳定晶核的数目不断增多，当它达到一定的浓度之后，新沉积来的原子只需扩散一个很短的距离，就可以合并到晶核上去而不易形成新的晶核, 此时稳定晶核的数目达到极大
值。继续沉积使晶核不断长大并形成小岛，这种小岛通常为三维结构，并多数已具有该种物质的晶体结构，即已形成微晶粒。31113 网络阶段(见图2c ) 新沉积来的吸附原子通过表面迁移而聚集在已有的小岛上，使小岛不断长大，相邻的小岛会相互接触并彼此结合。由于小岛在结合时会释放出一定
木工艺品制作的能量，这些能量足以使相接触的微晶状小岛顺势熔化，结合以后，温度下降，熔化小岛将重新结晶。电子衍射结果发现，在尺寸和结晶取向不同的两个小岛相结合时，得到的新的微晶小岛的结晶取向与原来较大的小岛取向相同(大岛并吞小岛)。随着小岛的不断合并，小岛之间已经大体相连而只留下少量沟状空白区，此时也称网络状薄膜。
图2 样品A 、B 、C 、D 的AF M 图
a 1样品A ;
b 1样品B ;
c 1样品C ;
d 1样品D
31114 连续薄膜(见图2d ) 连续沉积的原子填补
空白区而使薄膜连成一片，此时G aN 膜厚度为
015μm 。然而，若外延生长继续进行，当外延层厚度超过临界厚度时，外延层表面会出现裂纹。当G aN
厚度达到016μm 时，可以看到样品表面出现许多裂纹，这是由于随外延层厚度的增加，外延膜中的应力增大，在降温的过程中产生大量裂纹。
312 样品表面的粗糙度
样品A 、B 、C 、D 表面的均方根粗糙度分别为791096nm 、461230nm 、21971nm 、101999nm ，从表面形貌
看，样品C (外延生长时间1000s ，厚度约015μm )比其它3个样品要好，均方根粗糙度较其它3个样品低,
且表面无裂纹出现，适宜于在上面制备G aN 器件。313 AFM 观测GaN 表面的V 缺陷
对样品C 中出现的小坑进行放大，得到其AFM 平面图和剖面图(见图3)。由于小坑的剖面呈现V
型，由6个侧面围成，判断其为V 缺陷〔5～7〕
。
AFM 对V 缺陷的大小进行定量观测，直径约为300nm ，深度约200nm ，计算其面密度约108cm 22。扫描电子显微镜只可得到平面图，而AFM 除可以观测到V 缺陷的俯视图，还可以得到V 缺陷的立体图和剖面图
(见图3)。平面图与剖面图表明它由6个{11-01}面
组成，看似倒置的六角棱锥。
图3(a )给出V 缺陷的平面图，以照片中不同部位的亮暗不同而反应样品凹凸分布情形，由高度比例尺，给出明暗高低的对应信息。从平面图中可以判断,V 缺陷是一个凹坑。
图3 V 缺陷的AF M 平面图与剖面图
a 1V 缺陷的平面图;
b 1V 缺陷的立体图;
c 1V 缺陷的剖面图
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2现代仪器( )
二○○六年・第四期
用计算机对平面图片信息进行加工处理，给出各个角度立体图，使图像信息更加明确。剖面分析则给出样品在所选线处凹凸变化值。可见AFM对研究G aN表面的缺陷有极其重要的价值。
4 结论
利用AFM研究G aN的表面形貌和表面的V缺陷,G aN生长按照Volmer2Weber模式进行，薄膜生长过程大致可以分为4个阶段。通过粗糙度的测量，得出外延层厚度为015μm时，粗糙度最低，适宜于G aN器件的制备。AFM研究V缺陷时，得到许多其它实验方法得不到的有价值的结果，例如腐蚀坑大小的定量信息，立体形貌和剖面图等，是一种极为有效的方法。今后,AFM在G aN研究中会成为一种重要的实验手段。
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The application of atomic force microscopy in the
investigation of G a N
Wang Qimin Zhao Liwei T eng X iaoyun Zhang Wei Liu Caichi3
(Institute of In formation Function Materials,Hebei University of T echnology,T ianjin 300130)
Abstratct In this paper,the surface topography of G aN grown on Si substrate and V defects were investigated by atomic force microscopy(AFM)1The results showed that the sam ple with thickness015μm has a lower roughness than other sam ples,and no microcracks occurred1Furtherm ore,there were many pits on the sam ple whose thickness is014μm,the density is about108cm221The pits were V defects1
K ey w ords AFM G aN Surface topography V defect
(上接第17页)
15 Y ap J T,Carney J P,Hall NC,et al1Image2guided cancer therapy using PET/CT1Cancer J12004,10(4):221～33 16 C ook G J,Wegner E A,F ogelman I1Pitfalls and artifacts in 18FDG PET and PET/CT oncologic imaging1Semin Nucl
Med12004,34(2):122～33
17 第三届临床蛋白指纹图谱技术研讨会1w w w1tech2 ex1com/equipment/news/mainland/003532631html(2006年4月15日)
Application of PET/CT in oncology
Zhu Zhaohui
(PET center of Nuclear Medicine Department,PUMC H ospital,C AMS&PUMC Beijing 100730)
Abstract PET/CT is a new technology that combines positron emission tom ography(PET)with x2ray com puted tom og2 raphy(CT),and it has been developing very fast since it was commercially available in20011By merging tw o fundamen2 tally different imaging technologies into a new single device,PET/CT provides simultaneously structural and metabolic (biochemical)in formation under alm ost identical conditions1The combination of PET and CT increases diagnostic accura2 cy and im proves clinical management,especially for patients with malignant disease1This review described the applica2 tion of PET and PET/CT in oncology,and discussed the advantages and disadvantages of PET/CT1
K ey w ords P ositron emission tom ography C om puted tom ography Oncology
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二○○六年・第四期研究报告
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