载能重离子在InN、InGaN薄膜中引起辐照效应的研究

InN and InGaN are new kinds of nitride semiconductor materials, which have broad application prospects on the development of new electronics and optoelectronics. The ion beam technique is crucial for the process and modification of semiconductor materials. However, the study of ion beam-induced irradiation effects in InN and InGaN is still in the initial stage at present,which hinders the application of the ion beam technique on InN and InGaN materials. In this research subject, the InN and InGaN films will be irradiated by heavy ions with energies of several MeV and swift heavy ions with energies of several tens to several hundreds MeV, respectively. And the changes of the structures and the optical and electrical properties of the films will be studied. By the study with the irradiation of several MeV heavy ions, the damage evolution in InN and InGaN under ion implantion mainly via the ballistic effects will be revealed, which will contribute to the application of the ion implantation technique on InN and InGaN materials. On the other hand, by the study with the irradiation of swift heavy ions, the irradiation damage in InN and InGaN induced by swift heavy ions mainly via electronic excitation effects will be investigated, and the promising application of the swift heavy ion on the process of InN and InGaN materials will be discussed. This work is of great importance to the application of the ion beam technique on InN and InGaN materials.

InN和InGaN是新型的氮化物半导体材料，对于发展新一代的电子和光电子器件具有广阔的应用前景。离子束技术是半导体材料加工与改性的重要手段，然而当前关于InN和InGaN离子束辐照效应的研究正处于初始阶段，极大的限制了离子束技术在InN和InGaN中的应用。本项目拟分别使用动能为几MeV的重离子和几十至几百MeV的快重离子辐照InN和InGaN薄膜，研究辐照引起薄膜结构、光学和电学性质的变化。其中，拟通过对几MeV重离子辐照的研究，揭示InN和InGaN在进行离子注入时主要由核碰撞效应而导致的损伤演化过程，为离子注入技术在InN和InGaN中的应用提供研究基础。另一方面，拟通过对快重离子辐照的研究，了解InN和InGaN在快重离子入射时主要由强电子激发效应而引起的损伤现象，探讨利用快重离子来加工InN和InGaN的可能。本项目的研究将对InN和InGaN材料离子束技术的应用具有重要意义。

InN和InGaN是重要的Ⅲ族氮化物半导体材料。由于离子注入技术在半导体掺杂中的重要应用，过去几十年人们对载能离子束在氮化物半导体（例如GaN）中引起的辐照损伤效应进行了大量研究，但迄今对较难生长的InN和高In组分InxGa1-xN (x>0.2) 材料辐照效应的研究却十分有限，对相关辐照损伤机理的认识也尚不完全清楚。本项目分别使用8.9 MeV Bi、5 MeV Xe、4 MeV Kr、353 MeV Fe和290 MeV U离子辐照了厚度为200-400 nm的纤锌矿结构的InxGa1-xN (0.18≤x≤1.0)薄膜，辐照后利用X射线衍射、离子沟道技术、二次离子质谱、He离子显微镜、扫描电子显微镜、光致发光谱和Raman光谱等对薄膜的微结构、光学和电学性质进行了研究。研究结果表明：对于以弹性碰撞损伤为主的几MeV的重离子辐照，ⅰ） InxGa1-xN薄膜的晶格无序度随着In组分x的增加而迅速增大，富In的InxGa1-xN (x>0.5)的相对晶格无序度在~0.08 dpa下便达到90%（100%表示完全非晶化）；ⅱ）辐照导致了薄膜的晶格膨胀，当辐照剂量增加至~0.08 dpa时，富In 薄膜产生了多达25%的体积肿胀，并在整个薄膜厚度内发生了In和Ga元素的氧化；ⅲ）辐照导致了薄膜载流子浓度和发光强度的降低，但降低程度随着薄膜In组分的增加而减弱。对于以电离损伤为主的几百MeV的快重离子辐照，ⅳ）353 MeV Fe离子辐照几乎未引起薄膜的结构变化，表明快重离子在InN和InGaN中产生离子径迹的电子能损阈值大于11 keV/nm；ⅴ）290 MeV U离子在In0.18Ga0.82N中（电子能损为40.5 keV/nm）产生了直径~9 nm的离子径迹，径迹内的材料可能被完全非晶化；ⅵ）Fe和U离子辐照均未导致薄膜载流子浓度的显著变化，表明快重离子辐照在离子径迹以外的区域未造成明显的结构损伤或缺陷退火。总体上讲，我们的研究发现In掺杂会显著降低Ⅲ族氮化物材料晶格结构的抗辐照能力，很低的辐照剂量便会在InN和InGaN中造成严重的晶格损伤，因此需要谨慎使用离子注入技术对这些材料进行掺杂，进一步的高温离子辐照研究有待进行。另一方面，InN和InGaN的电学和光学性质却表现出较强的抗辐照特性，因此它们可能适合于制作在太空和核探测等领域应用的半导体器件。