Raman study of Gallium and Indium Nitride semiconductors:
Creators: name: Φιλίντογλου, Κυριάκος Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Νιτρίδιο του γαλλίου
Νιτρίδιο του ινδίου
Φασματοσκοπία Ραμάν
Gallium Nitride
Indium Nitride
Raman spectroscopy

description: Η επίδραση της εμφύτευσης In και της θερμοκρασίας ανόπτησης στις δονητικές ιδιότητες του GaN μελετήθηκαν μέσω της φασματοσκοπίας Raman και μηχανικών τεχνικών. Η εμφύτευση ιόντων έχει ως αποτέλεσμα τη καταστροφή του πλέγματος, η οποία επηρεάζει ισχυρά το φάσμα Raman, προκαλώντας την ασύμμετρη διεύρυνση των κορυφών στο φάσμα. Για να συσχετίσουμε τις κορυφές του φάσματος με συγκεκριμένους τρόπους δόνησης και να λάβουμε ποσοτική πληροφορία για το μέγεθος της καταστροφής του πλέγματος, τα φάσματα προσομοιώθηκαν χρησιμοποιώντας το μοντέλο του χωρικού συσχετισμού (SCM). Η εξάρτηση του μήκους συμφωνίας των φωνονίων από τη δόση εμφύτευσης εμφανίζει σιγμοειδή συμπεριφορά και υπάρχει πτώση στο μήκος συμφωνίας για τις περισσότερες κορυφές σε δόσεις κοντά στα 2×1014 cm-2. Αντίστοιχες αλλαγές παρατηρούνται επίσης και στις μηχανικές ιδιότητες, αλλά με κάποια καθυστέρηση. Για δόσεις πάνω από τα 7×1014 cm-2 υπάρχει αύξηση του μέτρου ελαστικότητας Εr, καθώς και αύξηση της σκληρότητας Η. Για δόσεις μεγαλύτερες της 1×1015 cm-2 υπάρχει μία απότομη μείωση στις τιμές Εr και Η. Σύμφωνα με τη ανάλυση Raman, η ανόπτηση στους 1000 ᵒC του δείγματος, το οποίο εμφυτεύτηκε με δόση 1×1015 cm-2 έχει ως αποτέλεσμα τη μερική αποκατάσταση του πλέγματος, κάτι που είναι εμφανές στο φάσμα Raman. Ανόπτηση του δείγματος με δόση 5×1015 cm-2 είναι λιγότερο αποτελεσματική στην αποκατάσταση του πλέγματος. Ανόπτηση στους 1000 ᵒC του εμφυτευμένου δείγματος με δόση 1×1016 cm-2 είναι ανεπαρκής να προκαλέσει αποκατάσταση του πλέγματος, πιθανότατα λόγω του σχηματισμού πιο σταθερών δομών ατελειών. Τα φάσματα Raman δύο ημιπολικών δειγμάτων InN λήφθηκαν στη θερμοκρασία δωματίου και στη γεωμετρία οπισθοσκέδασης περιστρέφοντας το δείγμα γύρω από άξονα κάθετο στην επιφάνεια και για δύο διαφορετικές διευθύνσεις πόλωσης του laser. Οι κανονικοποιημένες εντάσεις των τρόπων δόνησης Α1(ΤΟ), Ε1(ΤΟ) και σχεδιάστηκαν συναρτήσει της γωνίας περιστροφής ψ. Για το δείγμα G1502 είναι εμφανής η καλή συμφωνία μεταξύ της θεωρητικής εξάρτησης των εντάσεων των τρόπων δόνησης από τη γωνία ψ με τα πειραματικά δεδομένα και για τις δύο πολώσεις της δέσμης του laser. Επομένως από τη ταυτόχρονη προσομοίωση και για τις δύο πολώσεις, υπολογίστηκαν τα στοιχεία των τανυστών Raman a= 0.99, b= -1.80, c= -0.92 και d= 1.10. Χρησιμοποιώντας τα παραπάνω στοιχεία των τανυστών, προσομοιώθηκαν οι αντίστοιχες εντάσεις των κορυφών για το δείγμα G1817. Ωστόσο η ποιότητα της προσομοίωσης δεν ήταν τόσο καλή όσο στη περίπτωση του δείγματος G1502. Οι κορυφές δεν εμφανίζουν τόσο καλή γωνιακή εξάρτηση, ενδεικτικό της μη παρουσίας προσανατολισμένων περιοχών. Συμπεριλαμβάνοντας και τη πολική συνεισφορά (θ=0ᵒ και φ=0ᵒ) στη διαδικασία προσομοίωσης, παρατηρείται ότι η γωνιακή εξάρτηση των εντάσεων των κορυφών βελτιώνεται σημαντικά. Από τις εικόνες AFM των δειγμάτων, παρατηρείται ότι τα δείγματα χαρακτηρίζονται από επιμήκεις περιοχές σε τυχαία προσανατολισμένες διευθύνσεις, οι οποίες εμφανίζονται μεγαλύτερες σε μέγεθος στο δείγμα G1502. Από τα φάσματα HR-XRD κατά μήκος της διεύθυνσης [10 0], παρατηρείται και στα δύο δείγματα η ανάκλαση (002) της κυβικής φάσης. Επιπλέον από την ανάκλαση (10 0), βρέθηκε ότι και στα δύο δείγματα κατά μήκος της διεύθυνσης ανάπτυξης εμφανίζεται εφελκυστική παραμόρφωση. Τέλος και στα δύο δείγματα κατά μήκος των [ ], [ ] εμφανίζεται εφελκυστική παραμόρφωση, ενώ κατά μήκος της [0001] εμφανίζεται συμπιεστική παραμόρφωση.
description: The effect on Indium (In) implantation and subsequent annealing on the vibrational properties of n-type GaN was studied as a function of the projectile ion fluence ranging from 5×1013 to 1×1016 cm-2. Initially silent Raman modes are activated due to implantation induced disorder. Fitting of the Raman peaks by the Spatial Correlation Model provides estimation of the phonon coherence length and a tentative assignment to corresponding phonon branches of crystalline GaN. Although L is different for the various Raman peaks, it decreases abruptly at a fluence of about 2×1014 cm-2, which is one order of magnitude smaller than the amorphization threshold. Annealing of the sample implanted with 1×1015 ions/cm2 at 1000 ᵒC is found quite efficient in the lattice recovery contrary to specimens implanted at higher fluences. The results of Raman characterization are discussed in combination with nano-hardness testing. It is found that the nano-hardness value and the reduced elastic modulus increase with the ion fluence up to 5×1014 and 2×1014 ions/cm2 respectively. For higher implantation fluences, H and Er decrease abruptly-similarly to the L dependence-implying a common origin for both effects. The Raman spectra of two semi-polar InN samples were recorded at room temperature in the backscattering geometry by varying the angle between the projection of the c-axis on the surface and the polarization of the incident laser beam. The normalized intensities of the vibrational modes A1(TO), E1(TO) and are plotted versus the rotation angle . Τhe Raman tensor elements a= 0.99, b= -1.80, c= -0.92 and d= 1.10 are estimated. From the AFM images of the samples, we observe that they are characterized by directional elongated regions. The HR-XRD diffractograms in both samples along with the reflection a parasitic one appears that might be attributed to the (002) reflection of the cubic phase. Finally it is found that the two samples along the growth direction and [ ], [ ] directions experience tensile strain and along the [0001] direction experience compressive strain.