技术分享｜二次离子质谱在LED器件的应用
背景
近些年来，随着我国的大力投入，第三代半导体材料及相关器件发展迅速，其中作为第三代半导体材料的主要代表之一的氮化镓材料在光电子器件、半导体照明、电力电子器件以及射频器件领域表现优异，技术产业发展渐趋成熟。
在这些应用领域的生产和研究开发过程中，还存在大量如衬底制备、外延生长、掺杂、杂质沾污、自扩散、刻蚀等相关的待解决问题，这些问题会影响材料和器件的电学及发光特性，因此带来了诸多表面元素分析的需求。
二次离子质谱（SIMS）技术作为高灵敏度（ppm~ppb数量级）和高深度分辨率（约1nm）的表面分析技术，在材料及器件的掺杂、元素沾污和材料组成定量分析中优势突出，既能根据SIMS标准样品精确定量出元素的浓度水平，又能利用SIMS深度剖析功能，获得材料及器件中指定区域掺杂元素、沾污及杂质元素的浓度随深度分布情况，有助于评估材料和器件的掺杂浓度、外延及界面扩散、器件失效原因分析等，为企业和科研团队在生产工艺优化、设备校准、质量控制、科学研究中提供重要的分析和参考作用。
SIMS简介
二次离子质谱（SIMS）技术的原理是，铯或氧离子源产生的一次离子经过加速、纯化、聚焦后，以一定的能量（一般500eV~15KeV）轰击样品表面微区，使样品表面溅射出多种粒子（中性原子或分子，带正或负电的原子、分子和离子）。通过质量分析器对电离的二次粒子按照荷质比进行分离，利用检测器（法拉第杯、电子倍增器、CCD）收集待分析元素的二次离子。基于在浓度低于1%的情况下，离子产额与离子浓度呈现线性关系，通过标准样品计算出元素相对材料的离子产额系数，即相对灵敏度因子（RSF），将样品中元素的二次离子计数转换为浓度。通过台阶仪测量SIMS溅射深度，将测试时间转换为深度，最终可得到待分析样品表面的元素浓度或元素组成随深度分布情况。
图1为检测中心现有的DSIMS设备，为法国CAMECA公司生产的最新款扇形磁场二次离子质谱仪IMS 7F Auto。具有以下6个重要优势特点：
1、可以测试元素周期表中包含H在内的所有元素及同位素；
2、质量分辨率高达20000，可以有效排除质量干扰；
3、深度分辨率高达达1nm内；
4、极低的检出限（ppm~ppb）;
5、浓度检测动态范围大，可实现同一条件下检测不同掺杂量级的元素分析；
6、微小区域分析（分析面积目前可达到30μm）。
图1. 材料分析与检测中心DSIMS仪器
（CAMECA/IMS 7F Auto）
SIMS在LED器件中的应用
在基于GaN、GaAs、GaP等多层结构材料的LED器件中，控制掺杂元素（如Mg, Zn, Fe, Si）的浓度和掺杂深度，以及减少器件的杂质元素含量（如H、C、O）对于器件的特性尤为重要。图2为IMS 7F Auto分析的AlGaN/InGaN LED器件中C、H、O元素的杂质含量SIMS深度剖析，其中Al和In为基体元素。图3为Al/GaN/InGaN LED器件中P型掺杂Mg元素和N型掺杂Si元素的SIMS深度剖析。图4为 GaP基 LED器件中C、H、O、Si和Zn元素 40μm高通量SIMS深度剖析。本中心配备了GaN材料中C、O、Mg、Si元素标准样品，可以实现元素的精确定量和非标样品的定性分析。
图2. AlGaN/InGaN LED器件中C、H、O的杂质含量SIMS深度剖析
（Al和In为基体元素）
图3. Al/GaN/InGaN LED器件中P型掺杂Mg和N型掺杂Si元素的SIMS深度剖析
（Al和In为基体元素）
图4. GaP基 LED器件中C、H、O、Si和Zn元素 40μm高通量SIMS深度剖析。
▲ 图源 ｜CAMECA官网
SIMS在光伏器件中的应用
DSIMS 7F Auto以其优异的深度剖析性能在光伏组件、多层结构太阳能电池器件的表面材料表征中应用突出。可通过SIMS深度剖析了解不同掺杂元素和杂质元素在多层结构的界面或过渡区的分布，用以控制和改进器件工艺；通过SIMS分析掺杂和杂质元素的浓度分布情况，掌握器件的电学性能和失效原因分析；还可通过SIMS分析监测杂质元素的含量，改进和优化生产工艺。图5为IMS 7F Auto仪器在锗衬底砷化镓基和磷化铟基三结太能阳电池的SIMS深度剖析。
图5. Ge衬底GaAs基和InP基三结太能阳电池的SIMS深度剖析。
▲ 图源 ｜CAMECA官网
服务项目介绍
甬江实验室材料分析与检测中心
化学分析实验室CAL：色谱/质谱/光谱/热分析/元素测试、异物分析、杂质分析、成分分析等
高纯材料测试实验室PAL：GDMS、DSIMS纯度与杂质元素分析
电镜中心EMC：SEM、FIB、TEM、XPS、AFM等表面形貌、价态、元素与结构分析
可靠性实验室RAL：材料、PCB与器件环境可靠性测试
物性测试实验室PTL：力学性能、BET、接触角、电位、粒径等
失效分析实验室FAL：NDT、EFA、热点定位、开封去层、PFA等
测试服务咨询窗口
联系人：侯老师
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