Tóm tắt báo cáo tổng kết đề tài - Nghiên cứu cấu trúc tinh thể của màng tinh thể aln được nuôi bằng phương pháp mọc ghép pha hơi hyđrua trên đế sapphire được kết cấu rãnh

num nitride (AlN) v ới E g = 6.2 eV đã và đang được nghiên c ứu m ột cách r ộng rãi cho vi ệc phát tri ển các thi ết b ị quang điện t ử ho ạt độ ng ở vùng t ử ngo ại sâu. Do nh ững khó kh ăn trong vi ệc ch ế t ạo tinh th ể AlN ở d ạng kh ối, ph ươ ng pháp m ọc ghép màng tinh th ể AlN trên các đế nh ư α-Al 2O3 và 6H-SiC th ường được áp d ụng. Tuy nhiên, sự không t ươ ng thích v ề h ằng s ố m ạng và nhi ệt gi ữa màng AlN và các đế α-Al 2O3 và 6H-SiC là m ột khó kh ắn l ớn trong vi ệc thu được các màng tinh th ể AlN ch ất l ượng cao. Sự không t ươ ng thích này làm cho các màng tinh th ể AlN được ch ế t ạo trên các đế α- Al 2O3 và 6H-SiC th ường có ch ất l ượng không cao nh ư: xu ất hi ện c ủa các khuy ết t ật đường (dislocation), co giãn v ề h ằng số m ạng (strain), u ốn cong các m ặt m ạng hay s ự nghiêng c ủa các m ặt m ạng. G ần đây, vi ệc s ử d ụng các đế được t ạo rãnh đã nâng cao đáng k ể ch ất l ượng c ủa các màng tinh th ể AlN. Nh ững đế được t ạo rãnh nh ư v ậy không ch ỉ t ạo ra s ự m ọc tinh th ể c ủa màng theo ph ươ ng ngang (ELO) mà còn t ạo ra nh ững kho ảng tr ống kích th ước nano (nanovoid). Vi ệc s ử d ụng kính hi ển vi điện t ử truy ền qua (TEM) đã chính minh r ằng ELO và nanovoid đóng m ột vai trò quan tr ọng trong vi ệc nâng cao ch ất l ượng c ủa các màng tinh th ể m ọc trên các đế được t ạo rãnh. Một s ố báo cáo g ần đây đã ch ỉ ra r ằng các màng tinh th ể mọc trên các đế được t ạo rãnh th ường tr ải qua s ự nghiêng m ạng tinh th ể. Nhi ễu x ạ tia X đã được s ử d ụng m ột cách r ộng rãi để xác đị nh nh ững s ự nghiêng m ạng nh ư v ậy. Đặc bi ệt nhi ễu x ạ tia X vi mô đã được chính minh là công c ụ h ữu hi ệu trong vi ệc nghiên c ứu các tính ch ất tinh th ể h ọc vi mô . Ngu ồn g ốc c ủa s ự nghiêng m ạng đã được thông báo là sự co giãn c ủa ô đơn v ị (strain) do s ự không t ươ ng thích v ề m ạng và nhi ệt gi ữa màng tinh th ể và đế, m ặc dù điều này v ẫn còn đang được tranh cãi. 2. Tı ́nh câ ́ p thiê ́t Nâng cao ch ất l ượng d ạy h ọc và nghiên c ứu khoa h ọc là m ục tiêu hang đầu c ủa Đạ i học Đà N ẵng c ũng nh ư t ất c ả các tr ường đạ i h ọc trong và ngoài n ước. Các k ỹ thu ật nuôi tinh th ể d ưới d ạng màng m ỏng đã và đang được phát tri ển m ạnh m ẽ cho vi ệc ứng d ụng trong các thi ết b ị quang điện t ử. AlN v ới độ r ộng vùng c ấm kho ảng 6.2 eV đã và đang được ứng d ụng r ất nhi ều trong các thi ết b ị quang điện t ử ho ạt độ ng trong vùng t ử ngo ại sâu. Hi ện nay, có r ất nhi ều ph ươ ng pháp ch ế t ạo màng tinh th ể AlN nh ưng ch ất l ượng tinh th ể đạt được ch ưa cao. G ần đây, vi ệc ch ế t ạo màng tinh th ể AlN trên các đế được tạo rãnh đã t ạo ra các màng tinh th ể AlN ch ất l ượng cao. Tuy nhiên, các tính ch ất c ấu trúc tinh th ể h ọc, đặ c bi ệt là c ấu trúc tinh th ể vi mô c ủa màng tinh th ể AlN ch ế t ạo b ằng ph ươ ng pháp này ch ưa được làm sáng t ỏ. Nhi ễu x ạ tia X, đặ c bi ệt nhi ễu x ạ tia X vi mô, cùng v ới kính hi ển vi điện t ử truy ền qua s ẽ cung c ấp thông tin chi ti ết v ề c ấu trúc tinh th ể, đặ c bi ệt c ấu trúc tinh th ể vi mô c ủa màng tinh th ể AlN. T ừ đó cung c ấp các thông tin h ữu ích cho các nhà nghiên c ứu và s ản xu ất trong vi ệc c ải thi ện h ơn n ữa ch ất l ượng tinh th ể c ủa màng AlN, đồng th ời nâng cao hi ệu su ất c ủa các thi ết b ị quang điện t ử d ựa trên AlN. 3. M ục tiêu 1 Ch ế t ạo các màng tinh th ể AlN trên đế α-Al 2O3 và AlN/ α-Al 2O3 được t ạo rãnh b ằng ph ươ ng pháp m ọc ghép pha h ơi hy đrua. Nghiên c ứu các tính ch ất c ấu trúc tinh th ể h ọc của các màng tinh th ể AlN b ằng các ph ươ ng pháp nhi ễu x ạ tia X thông th ường, nhi ễu x ạ tia X vi mô và kính hi ển vi điện t ử truy ền qua. Thu được công th ức tính và giá tr ị độ u ống cong c ủa màng tinh th ể AlN do s ự không t ươ ng thích m ạng và nhi ệt gi ữa AlN và α-Al 2O3 bằng nhi ễu x ạ tia X thông th ường. Làm sáng t ỏ c ấu trúc tinh th ể vi mô ch ẳng h ạn c ấu trúc domain, dao động nghiêng m ạng, dao độ ng h ằng s ố m ạng b ằng ph ươ ng pháp nhi ễu x ạ tia X vi mô và kính hi ển v ị điện t ử truy ền qua. 4. Ca ́ ch tiê ́p câ ṇ Các nghiên c ứu v ề c ấu trúc m ạng tinh th ể c ủa v ật li ệu bán d ẫn nitride đã được công bố trên các t ạp chí khoa h ọc qu ốc t ế là c ơ s ở cho vi ệc tham kh ảo và nghiên c ứu c ủa đề tài. 5. Ph ươ ng pháp nghiên c ứu Trong gi ới h ạn c ủa đề tài này, nhóm tác gi ả s ử d ụng k ết h ợp ba ph ươ ng pháp: nhi ễu xạ tia X, nhi ễu x ạ tia X vi mô và ch ụp ảnh b ằng kính hi ển vi điện t ử truy ền qua để nghiên c ứu các tính ch ất c ấu trúc tinh th ể h ọc c ủa các màng tinh th ể AlN ch ế t ạo trên đế α-Al 2O3 và AlN/ α-Al 2O3 được t ạo rãnh. 6. Đối t ương̣ và ph ạm vi nghiên c ứu - Các màng tinh th ể AlN m ọc trên các đế α-Al 2O3 và AlN/ α-Al 2O3 được t ạo rãnh. - Với m ục tiêu đã đề ra, đề tài nghiên c ứu sự u ống cong m ặt m ạng c ủa màng tinh th ể AlN do s ự không t ươ ng thích gi ữa các thông s ố m ạng và nhi ệt c ủa AlN và α-Al 2O3 bằng nhi ễu xạ tia X thông th ường. Nghiên c ứu c ấu trúc tinh th ể vi mô ch ẳng h ạn c ấu trúc domain, dao động nghiêng m ạng, dao độ ng h ằng s ố m ạng b ằng ph ươ ng pháp nhi ễu x ạ tia X vi mô và kính hi ển v ị điện t ử truy ền qua. 7. Nô ị dung nghiên c ứ u Nội dung c ủa đề tài ngoài ph ần m ở đầ u và k ết lu ận g ồm 3 ch ươ ng: Ch ươ ng 1 trình bày t ổng quan các ph ươ ng pháp ch ế t ạo tinh th ể AlN và các ph ươ ng pháp để nghiên c ứu c ấu trúc tinh th ể c ủa màng AlN. Ch ươ ng 2 nghiên c ứu s ự u ốn cong m ặt m ạng c ủa màng tinh th ể AlN ch ế t ạo trên đế tạo rãnh α-Al 2O3 bằng ph ươ ng pháp nhi ễu x ạ tia X th ường. Ch ươ ng 3 nghiên c ứu hình thái h ọc tinh th ể vi mô c ủa màng AlN ch ế t ạo trên đế t ạo rãnh AlN/ α-Al 2O3 bằng ph ươ ng pháp nhi ễu x ạ tia X vi mô. 2 CH ƯƠ NG 1. TÔ ̉ NG QUAN 1.1 Chê ́ ta ọ tinh thê ̉ AlN 1.1.1. Chê ́ ta ọ tinh thê ̉ AlN da ng̣ khô ́ i Tinh th ể AlN d ạng kh ối đầ u tiên được t ổng h ợp b ởi Briegler và Gusther năm 1862 khi cho nit ơ ph ản ứng hóa h ọc v ới Al nóng ch ảy. Tuy nhiên, do độ hòa tan c ủa nit ơ trong hầu h ết các dung môi là th ấp và nhi ệt độ nóng ch ảy cao c ủa AlN (~2473 K), tinh th ể AlN d ụng kh ối được ch ế t ạo t ừ ph ươ ng pháp này là khó và ch ất l ượng thu được không cao. Hi ện nay ph ươ ng pháp hi ệu qu ả nh ất để ch ế t ạo tinh th ể AlN d ạng kh ối là ph ươ ng pháp th ăng hoa - kết t ỏa được phát tri ển đầ u tiên vào n ăm 1976 b ởi Slack và McNelly. Tinh th ể AlN được ch ế t ạo b ởi ph ươ ng pháp này th ường được tinh th ể hóa m ột cách t ự pháp và ở d ạng đa tinh th ể. M ột gi ải pháp cho nh ững v ấn đề này là s ử d ụng các m ầm đơ n tinh th ể có s ẵn. Tuy nhiên, hi ện nay các m ầm đơn tinh th ể có s ẵn có kích th ước nh ỏ nên c ũng gi ới h ạn kích th ước c ủa đơn tinh th ể AlN thu được. M ột lo ại m ầm tinh th ể khác nh ư các đế α-Al 2O3 và 6H-SiC có kích th ước l ớn có th ể s ử d ụng để đị nh h ướng s ự phát tri ển c ủa đơn tinh th ể AlN. Tuy nhiên, s ự phát tri ển c ủa tinh th ể AlN trên các đế này th ường khó để điều khi ển do nh ững khó kh ăn trong vi ệc thay đổ i điều. Một khó kh ăn khác c ủa vi ệc ch ế t ạo tinh th ể AlN b ằng ph ươ ng pháp th ăng hoa - kết t ỏa là s ự t ạo thành c ủa khuy ết t ật trong tinh th ể AlN thu được. 1.1.2. Ch ế t ạo màng m ọc ghép AlN Do nh ững khó kh ăn trong vi ệc ch ế t ạo tinh th ể AlN d ạng kh ối, ch ế t ạo màng tinh th ể AlN b ằng phươ ng pháp l ắng đọ ng pha h ơi hóa h ọc (VCD) m ọc ghép trên các đế α-Al 2O3 và 6H-SiC th ường được s ử d ụng. Có hai ph ươ ng pháp ch ế t ạo màng tinh th ể AlN: m ọc ghép pha h ơi h ữu c ơ kim lo ại (MOVPE) và m ọc ghép pha h ơi hydride (HVPE). Một ưu điểm c ủa ph ươ ng pháp HVPE so v ới ph ươ ng pháp MOVPE là kh ả n ăng thu được các màng AlN dày b ởi vì nó có t ốc độ mọc cao vài b ậc µm/phút c ủa màng AlN. Do đó, HVPE th ường được dùng để ch ế t ạo các màng AlN có b ề dày l ớn h ơn 100 µm. Tuy nhiên, ch ất l ượng các màng AlN thu được b ằng ph ươ ng pháp HVPE v ẫn còn th ấp do s ự không t ươ ng thích v ề các thông s ố m ạng và nhi ệt gi ữa AlN và các đế kích thích s ự t ạo thành c ủa các khuy ết t ật và strain trong màng trong su ốt quá trình ch ế t ạo m ẫu. Một vài gi ải pháp đã được s ử d ụng nh ằm gi ảm m ật độ khuy ết t ật trong các màng AlN được ch ế t ạo trên đế α-Al 2O3 thông qua ph ươ ng pháp HVPE. Đó là vi ệc nitride hóa bề m ặt các đế α-Al 2O3 tr ước khi ch ế t ạo màng AlN trên chúng hay ch ế t ạo các l ớp tinh th ể AlN xếp l ớp v ới t ỉ s ố V/III khác nhau. Gần đây, vi ệc s ử d ụng kỹ thu ật m ọc ghép theo ph ươ ng ngang (ELO) đã gi ảm m ạnh m ật độ khuy ết t ật đường trong các màng bán dẫn nitide. Ph ươ ng pháp này được s ử d ụng đầ u tiên b ởi nhóm Usui khi h ọ ch ế t ạo màng GaN trên đế α-Al 2O3 sử d ụng h ệ ch ế t ạo HVPE và thu được màng GaN v ới m ật độ 7 -2 khuy ết t ật đường th ấp h ơn 6 × 10 cm . Ngoài ra, các đế t ạo rãnh AlN/ α-Al 2O3 cũng đã được s ử d ụng để ch ế t ạo các màng AlN và đã thu được các màng AlN dày h ơn v ới m ật 7 -2 độ khuy ết t ật đường nh ỏ h ơn 10 cm . Các k ết qu ả thu được ch ỉ ra r ằng các đế α-Al 2O3 được t ạo rãnh là m ột cách h ữu hi ệu để ch ế t ạo các màng tinh th ể AlN có ch ất l ượng cao. 3 Trong đề tài này, nhóm tác gi ả s ử d ụng các đế được t ạo rãnh α-Al 2O3 và AlN/ α- Al 2O3 để ch ế t ạo các màng tinh th ể AlN. 1.2. Đặc tr ưng c ấu trúc c ủa màng tinh th ể AlN 1.2.1. Kính hi ển vi điện t ử truy ền qua (TEM) TEM đã được s ử dụng nh ư là m ột ph ươ ng pháp hi ệu qu ả để nghiên c ứu các khuy ết tật trog các v ật li ệu bán d ẫn. Trong các ch ất bán d ẫn nitride, TEM th ường được s ủa d ụng các khuy ết t ật đường và s ự nghiêng m ặt m ạng. Tuy nhiên, v ề nguyên t ắc, m ẫu v ật li ệu ph ải được x ử lý tr ước khi ch ụp ảnh TEM và chi ều dày c ủa m ẫu ph ải đủ nh ỏ để chi ều electron có th ể đi xuyên qua m ẫu. 1.2.2. Ph ổ tán x ạ Raman (RSS) Phép đo tán x ạ Raman th ường được s ử dụng để nghiên c ứa h ằng s ố mạng trong các màng AlN b ởi vì nó nh ạy và không phá h ủy m ẫu. Trong các phép RSS, mode phonon E2 đầu tiên được quan sát và strain sau đó được rút d ựa vào m ối liên h ệ gi ữa strain và độ dịch t ần s ố của mode E 2. Phép đo RSS c ũng được s ử dụng trong vi ệc nghiên c ứu s ự phân b ố vi mô c ủa strain trong các màng GaN. M ặc d ầu RSS đã được ch ứng minh là ph ươ ng pháp h ữu hi ểu để nghiên c ứu v ề strain trong các màng AlN, nó không th ể được sử dụng để nghiên c ứu các tính ch ất tinh th ể học nh ư c ấu trúc domain, nghiêng m ạng 1.2.3. Nhi ễu xạ điện t ử tán x ạ ng ược (EBSD) Hệ đo EBSD được tích h ợp trong kính hi ển vi điện t ử quét. Nó được s ử dụng to đặc tr ưng các tính ch ất c ấu trúc vi mô c ủa mang tinh th ể nh ư định h ướng tinh th ể và strain với độ phân gi ải không gian cao. Trong phép đo EBSD, m ột chùm electron đến b ề mặt một tinh th ể, các electron nhi ễu x ạ sẽ đập vào màn hình phát quang và t ạo ra m ột ki ểu trên màn hình phát quang hình ảnh đặc tr ưng cho định h ướng tinh th ể của nh ư kho ảng cách m ạng trong tinh th ể. M ặc dù EBSD là công c ụ hữu hi ệu để đặc tr ưng c ấu trúc tinh th ể vi mô c ủa tinh th ể, k ỹ thu ật này ch ỉ phù h ợp cho các màng tinh th ể tươ ng đối m ỏng bởi vì độ xuyên th ấu c ủa chùm electron b ị gi ới h ạn. H ơn n ữa, do gi ới h ạn c ủa độ xuyên th ấu, vi ệc chu ẩn b ị mẫu tr ước khi đo là th ực s ự cần thi ết b ởi vì l ối nhi ễu x ạ sẽ thay đổi nếu nh ư b ề mặt m ẫu b ị ôxi hóa, b ị vấy b ẩn ho ặc b ị bi ến d ạng 1.2.4. Nhi ễu x ạ tia X (XRD) Hình 1.1: Nhi ễu x ạ tia X Gi ả sử có m ột chùm tia X đến m ột tinh th ể. Xét 2 tia X song song nhau d ến đến 2 nguyên t ử A và B trên 2 m ặt mạng song song cách nhau m ột đoạn dhkl . Gi ả s ử các tia X hợp v ới m ặt m ạng m ột gó θ nh ư hình 1.1. Hi ệu qua l ộ gi ữa 2 tia nhi ễu x ạ t ại A và B: CB+BD = 2AB sin θ = 2dhkl sin θ. (1.1) 4 Hai tia khi g ặp nhau s ẽ cho c ực đạ i giao thoa khi: 2dhkl sin θ = nλ (1.2) với n là s ố nguyên và λ là b ước sóng c ủa tia X. Ph ươ ng trình (1.2) là định lu ật Bragg cho nhi ễu x ạ tia X t ừ các m ăt m ạng ( hkl ) trong tinh th ể. XRD đã được ch ứng minh là m ột ph ươ ng pháp h ữu hi ệu để kh ảo sát các tính ch ất cấu trúc c ủa tinh th ể b ởi vì nó là phươ ng pháp không phá h ủy m ẫu và có th ể và có th ể được s ử d ụng để nghiên c ứu không ch ỉ các thông s ố m ạng, strain, thành ph ần và kích th ước h ạt mà còn có th ể nghiên c ứu được các khuy ết t ật nh ư khuy ết t ật đường, nghiêng mạng. Tuy nhiên, h ầu h ết phép đo XRD được th ực hi ện v ới chùm tia X có kich th ước mài mm. Nh ư v ậy, k ết qu ả thu được c ủa XRD cung c ấp m ột l ượng thông tin c ấu trúc mang tính ch ất trung bình trong m ột vùng t ươ ng đối l ớn c ủa màng tinh th ể. Do đó XRD không ph ải là ph ươ ng phù h ợp cho phân tích c ấu trúc vi mô c ủa màng tinh th ể. 1.1.5. Nhi ễu x ạ tia X vi mô (XRMD) Ng ược l ại so v ới XRD thông th ường v ới chùm tia X kích th ước ở thang mm, kích th ước chùm tia X trong XRMD ở vào kho ảng vài ch ục đế n vài tr ăm nm. Điều này làm cho XRMD tr ở thành ph ươ ng pháp thích hợp cho vi ệc nghiên c ứu c ấu trúc tình th ể vi mô c ủa các màng AlN nh ư c ấu trúc domain, nghiêng m ạng tinh th ể và strain m ạng trong nh ững vùng kích th ước r ất nh ỏ. Hình. 1.2: C ấu hình XRMD trong (a) không gian th ực và (b) không gian ảo XRMD được s ử d ụng để nghiên c ứu c ấu trúc c ủa m ột tinh th ể v ới m ột đầ u dò là chùm tia X có kích th ước ở thang µm. B ước sóng c ủa chùm tia X x ấp x ĩ v ới kho ảng cách m ạng. Hình 1.2(a) và (b) mô t ả c ấu hình c ủa XRMD trong không gian th ực và không gian ảo. Trong hình 1.2, ω là góc t ới được xác đị nh chùm tia X t ới và b ề m ặt m ẫu. Có ba lo ại phép đo XRMD: ● Phép đo rocking curve (quét theo góc ω) Hình 1.3 mô t ả l ượt đồ c ủa phép đo rocking curve (RC). Trong phép đo này, h ướng của chùm tia X t ới và detector được gi ữ không đổi trong khi m ẫu được quay quanh m ặt ph ẳng t ới (m ặt t ạo b ởi tia X t ới và tia X nhi ễu x ạ). Hay nói cách khác, góc nhi ễu x ạ 2 θ được gi ữ không đổ i trong khi góc t ới ω được thay đổ i. Trong không gian ảo, chúng ta xác định s ự nghiêng c ủa véc t ơ m ạng đả o Q. Phép đo RC th ường được s ử d ụng để nghiên cứu các khuyết t ật trong tinh th ể, s ự u ống cong, nghiêng m ạng, không đồ ng nh ất m ạng 5 Hình 1.3: Phép đo RC trong (a) không gian th ực và (b) không gian ảo ● Phép đo ω-2θ (ω-2θ scan) Hình 1.4 mô t ả l ượt đồ c ủa phép đo ω-2θ. Trong phép đo này, trong khi quay m ẫu một góc Δω, detector được quay m ột góc g ấp đôi. Các góc ω và 2 θ được thay đổ i sao cho Δω = Δθ. Điều này cho phép chung ta quét véc t ơ m ạng đả o Q trong m ột ph ươ ng không đổi. S ự dao độ ng c ủa kho ảng cách m ạng trong m ạng tinh th ể được th ể hi ện ở s ự thay đổi trong độ l ớn c ủa véc t ơ m ạng đả o Q. Phép đo này th ường được s ử d ụng để nghiên c ứu kho ảng cách m ạng (strain) và thành ph ần hóa h ọc trong tinh th ể. Hình 1.4: Phép đo ω-2θ trong (a) không gian th ực và (b) không gian ảo ● Phép đo b ản đồ không gian đả o Hı nh 1.5: Phép đo b ản đồ không gian đả o trong (a) không gian th ực và (b) ̀ Hình 1.5 mô t ả l ượt đồ c ủa phép đo b ản đồ không gian đả o (RSM). Trong phép đo này, h ướng c ủa tia X t ới được gi ữ không đổ i trong khi m ẫu và detector được quay nh ư hình 1.5(a). T ại m ỗi v ị tí góc c ủa m ẫu, detector được quay để xác đị nh góc nhi ễu x ạ 2 θ. Hay nói cách khác, t ại m ỗi góc t ới ω của tia X đố i v ới m ẫu, chúng ta có th ể thu được một nhi ễu x ạ t ươ ng ứng trong m ẫu t ại góc nhi ễu x ạ 2 θ khi quay detector. Các k ết qu ả 6 thu được được th ể hi ện trên m ột m ặt g ồm 2 tr ục vuông góc g ọi là b ản đồ không gian đảo. Để v ẽ b ản đồ không gian đảo các góc ω và 2 θ được bi ến đổ i thành các thành ph ần của véc t ơ m ạng đả o Q sử d ụng các ph ươ ng trình: 1 Q = [cos(2 θ - ω -) cos ω] (1.3) x λ 1 Q = [sin(2 θ -ω) + sin ω] (1.4) z λ Phép đo b ản đồ không gian đả o th ường được s ử d ụng nhi ều h ơn b ởi vì chúng cung c ấp đầy đủ các thông tin có th ể thu được t ừ hai phép đo RC và ω-2θ. 7 CH ƯƠ NG 2. NGHIÊN C ỨU S Ự UỐN CONG MÀNG TINH TH Ể CỦA MÀNG AlN ĐƯỢC M ỌC GHÉP TRÊN ĐẾ TẠO RÃNH α-Al2O3 SỬ DỤNG NHI ỄU X Ạ TIA X 1.1. Gi ới thi ệu Trong ch ươ ng này, chúng tôi trình bày m ột ph ươ ng pháp m ới cho vi ệc xác đị nh s ự uốn cong m ặt m ạng c ủa các màng tinh th ể b ằng cách s ử d ụng các phép đo RC c ủa nhi ễu xạ tia X. Đây là m ột ph ươ ng pháp t ươ ng đối đơn gi ản, b ởi vì cài đặt thí nghi ệm c ủa nó luôn có s ẵn trong b ất k ỳ máy đo nhi ễu x ạ. 2.1. Thí nghi ệm Hình 2.1: L ượt đồ quy trình ch ế t ạo m ẫu Hình 2.2: L ượt đồ s ơ l ượt c ủa nhi ễu x ạ tia x t ừ các m ặt (0002) c ủa màng tinh th ể AlN Quy trình ch ế t ạo m ẫu được mô t ả nh ư hình 2.1. Các tr ục X, Y và Z l ần l ượt bi ểu các h ướng [1100], [112 ]0 và [0001]. Đầu tiên, nh ư được th ấy trong hình 2.1(a), m ột đế với l ối rãnh tu ần hoàn được t ạo ra trên m ột đế α-Al 2O3 bằng ph ươ ng pháp kh ắc ion. Hướng c ủa các rãnh là [1100] và các rãnh được phân b ố tu ần hoàn trong h ướng [112 ]0 . Độ sâu c ủa rãnh được ch ọn kho ảng 1.5 µm trong khi độ rãnh c ủa chúng kho ảng 2.0 µm. Kho ảng cách gi ữa các rãnh c ũng vào kho ảng 2.0 µm. Ti ếp theo, nh ư có th ể được quan sát trên hình 2.1(b), m ột màng tinh th ể AlN v ới b ề dày kho ảng 8.6 µm được m ọc tr ực ti ếp trên đế được t ạo rãnh s ử d ụng h ệ th ống HVPE ở áp su ất th ấp. Ngu ồn nhi ệt c ủa h ệ th ống HVPE là các đèn h ồng ngo ại. Áp su ất ch ế t ạo là 30 Torr và nhi ệt độ ch ế t ạo n ằm 8 trong kho ảng 1400 -1500 °C. NH 3, Al, và HCl được s ử d ụng nh ư các ti ền ch ất. N 2 và H 2 được s ử d ụng nh ư các khí d ẫn. Đầu tiên, m ột ngu ồn AlCl 3 được t ạo ra do ph ản ứng hóa h ọc gi ữa Al và HCl trong zone ngu ồn c ủa bu ồng ph ản ứng ở 550 °C. AlCl 3 sau đó được đưa vào zone m ọc màng cùng v ới NH 3. T ại đây, ph ản ứng hóa h ọc gi ữa AlCl 3 và NH 3 tạo ra các l ớp tinh th ể AlN trên đế α-Al 2O3 đã được t ạo rãnh. Hình 2.1(c) mô t ả m ột ảnh ch ụp hính hi ển vi điện t ử quét (SEM) c ủa màng tinh th ể AlN sau khi được ch ế t ạo xong. Nh ư được th ấy t ừ ảnh SEM, trong m ẫu tinh th ể AN được ch ế t ạo xu ất hi ện các kho ảng tr ống (void). Các void này t ạo thành các đường gi ống nh ư các đường h ầm ch ạy d ọc h ướng X ngay bên trên các rãnh (trench) và được phân b ố tu ần hoàn trong ph ươ ng Y v ới kho ảng cách gi ũa chúng là 4-µm. Hình 2.2 mô t ả l ượt đồ s ơ l ượt c ủa nhi ễu x ạ tia x t ừ các m ặt (0002) c ủa màng tinh th ể AlN được ch ế t ạo. Để nghiên c ứu s ự u ốn cong m ặt m ạng trong h ướng X, chùm tia X t ới được l ựa ch ọn sao cho m ặt nhi ễu x ạ song song v ới h ướng X. S ự u ốn cong c ủa m ặt mạng trong h ướng X được xác đị nh b ởi m ột chu ỗi các phép đo RC trên m ặt (0002) t ại các v ị trí khác nhau trên b ề m ặt màng tinh th ể d ọc theo h ướng X. Kích th ước c ủa chùm tia X là 0.1 mm × 0.1 mm. B ước sóng tia X và độ xuyên sâu c ủa chùm tia X l ần l ượt là 0.15418 nm và 12.6 µm. 2.3. K ết qu ả và th ảo lu ận Hình 2.3: (a) Các phép đo RC trên m ặt (0002) c ủa màng tinh th ể AlN được th ực hi ện tại các v ị trí khác nhau trên b ề m ặt m ẫu d ọc theo h ướng X and (b) S ự thay đổ i c ủa góc tới ω ứng v ới c ường độ nhi ễu x ạ c ực đạ i trong m ỗi đường RC theo v ị trí nhi ễu x ạ Hình 2.3(a) miêu t ả k ết qu ả c ủa các phép đo RC trên m ặt (0002) c ủa màng tinh th ể AlN được th ực hi ện t ại các v ị trí khác nhau trên b ề m ặt m ẫu d ọc theo h ướng X. T ừ k ết qu ả thu được ta th ấy r ằng đường RC t ại m ỗi v ị trí nhi ễu x ạ ch ỉ có m ột đỉ nh duy nh ất. Ch ạy dọc theo ph ươ ng X, các đỉnh ph ổ thay đổ i m ột cách tuy ến tính. Điều này ch ứng t ỏ hình thái h ọc tinh th ể là t ươ ng đối đồ ng nh ất d ọc theo h ướng này. S ự đồ ng nh ất này c ủa màng tinh th ể khi ến cho nó b ị u ốn cong đáng k ể d ọc theo h ướng này nh ư là m ột c ơ ch ế của vi ệc gi ải phóng strain v ĩ mô xu ất hi ện do s ự sai l ệch v ề các thông s ố nhi ệt và m ạng của AlN và α-Al 2O3. T ừ k ết thu thu được nh ư hình 2.3(a), s ự thay đổ i c ủa góc t ới ω ứng với c ường độ nhi ễu x ạ c ực đạ i trong m ỗi đường RC theo v ị trí nhi ễu x ạ được rút ra và 9 được th ể hi ện nh ư hình 2.3(b). Kết qu ả thu được ch ỉ ra r ằng góc t ới ω tăng tuy ến tính với v ị trí đo khi d ịch chuy ển tia X d ọc theo h ướng X. Để xác đị nh ki ểu u ốn cong và độ cong c ủa màng AlN, m ột mô hình đã được đưa ra và được trình bày ở hình 2.4. T ừ hình 2.4(a), ta có th ể th ấy r ằng n ếu màng tinh th ể AlN b ị u ốn cong l ồi lên, thì góc t ới ω tăng dần lên khi d ịch chuy ển chùm tia X d ọc theo h ướng X. Ng ược l ại, nh ư có th ể nhìn th ấy ở hình 2.4(b), khi màng tinh th ể AlN b ị u ốn cong lõm xu ống, thì góc t ới ω gi ảm d ần khi dịch chuy ển chùm tia X d ọc theo h ướng X. C ăn c ứ vào k ết qu ả thu được ở hình 2.3(b), chúng ta d ễ dàng th ấy r ằng màng AlN b ị u ốn cong l ồi lên d ọc theo h ướng X. S ự u ốn cong c ủa m ặt m ạng nh ư v ậy được gi ải thích là do màng AlN b ị nén d ọc theo h ướng X do s ự không t ươ ng thích gi ữa các thông s ố nhi ệt và m ạng c ủa AlN và α-Al 2O3. Hình 2.4: Mô hình xác định ki ểu u ốn cong c ủa màng tinh th ể Hình 2.5: Mô hình cho vi ệc xác đị nh độ u ốn cong c ủa màng tinh th ể AlN Để xác đị nh độ u ốn cong c ủa màng tinh th ể AlN, m ột mô hình c ũng đã được đưa ra và được trình bày ở hình 2.5. Theo mô hình này, bán kính cong R của màng tinh th ể AlN dọc theo h ướng X được xác đị nh thông qua công th ức sau: L R = ∆ω với L là chi ều dài trên b ề m ặt c ủa màng tinh th ể AlN được dò b ởi chùm tia X d ọc theo hướng X. Trong thí nghi ệm này X = 4 mm. ∆ω là hi ệu c ủa các góc t ới c ủa chùm tia X tại các v ị trí X = ̶ 2mm và 2 mm. T ừ hình 2.3(b), ∆ω được xác đị nh là 0.07 °. Nh ư v ậy, bán kính cong R c ủa màng tinh th ể AlN d ọc theo h ướng X được xác đị nh vào kho ảng 3.1 m. 10 2.4. K ết lu ận Sự u ốn cong c ủa màng tinh th ể AlN, được ch ế t ạo trên đế α-Al 2O3 đã được t ạo rãnh bằng ph ươ ng pháp m ọc ghép pha h ơi, đã được xác đị nh b ởi m ột chu ỗi các phép đo RC của nhi ễu x ạ tia X trên m ặt tinh th ể (0002) c ủa AlN t ại nh ững v ị tr ị khác nhau trên b ề mặt c ủa tinh th ể. Các k ết qu ả ch ỉ ra r ằng m ạng tinh th ể AlN b ị u ốn cong l ồi lên d ọc theo hướng tinh th ể [1100]. S ự u ốn cong c ủa màng tinh th ể AlN có th ể gán cho s ự xu ất hi ện của strain trong màng tinh th ể do s ự không t ươ ng thích gi ữa các thông s ố nhi ệt và m ạng của màng AlN và đế α-Al 2O3. 11 CH ƯƠ NG 3. CẤU TRÚC TINH TH Ể VI MÔ CỦA MÀNG AlN ĐƯỢC CH Ế T ẠO TRÊN ĐẾ AlN/ α-Al 2O3 ĐƯỢ C T ẠO RÃNH 3.1. Gi ới thi ệu Trong ch ươ ng này, chúng tôi t ập trung vào các màng tinh th ể AlN được ch ế t ạo trên các đế AlN/ α-Al 2O3 đã được t ạo rãnh. Nh ư đã được trình bày ở ch ươ ng 1, m ục 1.1.2, các màng tinh th ể AlN phát tri ển c ủa trên các đế đã được t ạo rãnh tr ải qua m ột l ối ph ức tạp, bao gồm s ự n ảy m ầm tr ực ti ếp ngay t ại các rãnh, phát tri ển theo ph ươ ng ngang ngay phía trên các rãnh và s ự kết h ợp c ủa chúng. Chính s ự ph ức t ập trong c ơ ch ế phát tri ển này t ạo ra m ột c ấu trúc tinh th ể vi mô (MCS) t ươ ng đối ph ức t ạp c ủa các màng tinh th ể AlN khi chúng được ch ế t ạo trên các đế được t ạo rãnh nh ư c ấu trúc tinh th ể d ạng kh ảm (domain tinh th ể), dao độ ng nghiêng m ạng, dao độ ng h ằng s ố m ạng. Tuy nhiên, m ột c ấu trúc nh ư v ậy cho đế n nay v ẫn ch ưa được làm sáng t ỏ. Để nghiên c ứu c ấu trúc tinh th ể vi mô c ủa các màng AlN, chúng tôi th ực hi ện m ột sự k ết h ợp c ủa phép đo RSM v ới độ phân gi ải cao t ừ XRMD trên các m ặt tinh th ể đố i xứng (0004) và b ất đố i x ứng ( 11 24 ) c ủa tinh th ể AlN và ph ươ ng pháp ch ụp ảnh TEM. Các k ết qu ả ch ỉ ra r ằng MCS c ủa màng tinh th ể AlN có tính b ất đẳ ng h ướng cao gi ữa các h ướng [112 ]0 và [1100], v ới m ột vài domain tinh th ể nghiêng các góc khác nhau và phân b ố m ột cách tu ần hoàn theo h ướng [112 ]0 . S ự dao độ ng nghiêng m ặt m ạng cũng phân b ố m ột cách tu ần hoàn trong h ướng này. S ự dao độ ng m ạng được phát hi ện l ớn nh ất trong vùng tinh th ể được phát tri ển ngay trên các rãnh. Các k ết qu ả thu được có th ể được gi ải thích do s ự gi ảm c ủa strain d ọc theo h ướng phát tri ển c ủa tinh th ể và s ự không đồng nh ất trong phân b ố và hình thái h ọc c ủa khuy ết t ật đường (dislocation) trong m ạng tinh th ể. 3.2. Th ực nghi ệm Chi ti ết c ủa quy trình ch ế t ạo m ẫu gi ống v ới quy trình đã được trình bày ở ch ươ ng 2. M ẫu v ật li ệu được s ử d ụng trong nghiên c ứu này được ch ế t ạo trên đế AlN/ α-Al 2O3 đã được t ạo rãnh nh ư được mô t ả trên hình 3.1. Nh ư có th ể th ấy trên hình 3.1(a), đầu tiên, m ột l ớp đệ m AlN dày 5 µm được m ọc ghép trên đế (0001) α-Al 2O3 sử d ụng ph ươ ng pháp MOVPE. Trong đó, trimethylaluminum and NH 3 được s ử d ụng nh ư các ngu ồn alkyl và hydride. Tr ước khi kh ắc ion l ớp đệ m AlN để t ạo ra đế AlN/ α-Al 2O3 đã được tạo rãnh, m ột l ớp m ỏng SiO 2 được m ọc ghép trên l ớp đệ m AlN b ằng ph ươ ng pháp l ắng đọng pha h ơi hóa h ọc. Sau đó, nh ư th ể hi ện ở hình 3.1(b) m ột l ối tu ần hoàn c ủa các thanh m ỏng SiO 2 rộng 3 µm cách đều nhau 3 µm được t ạo ra b ởi k ỹ thu ật kh ắc quang. − Trong k ỹ thu ất kh ắc ion, Cl 2 được s ử d ụng để t ạo ra các plasma Cl . Nh ư được th ấy ở hình 3.1(c), b ề r ộng c ủa các rãnh c ũng nh ư kho ảng cách gi ữa chúng đề u là 3 µm, trong khi độ sâu c ủa rãnh là chính là b ề dày c ủa l ớp đệ m AlN đã b ị kh ắc ion. H ướng c ủa các rãnh là [1100] và các rãnh được phân b ố tu ần hoàn trong h ướng [112 ]0 . Cu ối cùng, nh ư th ể hi ện ở hình 3.1(d), m ột màng tinh th ể AlN dày 15 µm được m ọc ghép trên đế AlN/ α- Al 2O3 đã được t ạo rãnh b ằng ph ươ ng pháp HVPE. Điều ki ện ch ế t ạo trong h ệ th ống này gi ống v ới điều ki ện ch ế t ạo trong ch ươ ng 2. Hình 3.2(a) miêu t ả b ức ảnh ch ụp SEM c ủa màng AlN được m ọc ghép trên đế AlN/ α- 12 Hình 3.1: L ượt đồ s ơ l ượt quy trình ch ế t ạo m ẫu Al 2O3 đã được t ạo rãnh. Hai lo ại void v ới kích th ước khác nhau t ạo ra các đường h ầm ch ạy d ọc h ướng [1100] có th ể được quan sát th ấy t ừ b ề m ặt bên c ủa màng tinh th ể AlN. Các void phân b ố tu ần hoàn d ọc theo h ướng [112 ]0 với kho ảng cách gi ữa chúng là 6- µm. Các tr ục X và Y, l ần l ượt song song v ới các h ướng [112 ]0 và [1100], th ể hi ện các hướng quét c ủa chùm tia X vi mô trên b ề m ặt c ủa màng AlN. Hình 3.2: (a) Ảnh ch ụp SEM c ủa màng tinh th ể AlN được m ọc ghép trên đế AlN/ α- Al 2O3 đã đượ c t ạo rãnh va ̀ c ấu hình nhi ễu x ạ c ủa XRMD (b) 11 24 và (c) 0004 13 MCS c ủa tinh th ể AlN được nghiên c ứu b ởi các phép đo XRMD và TEM. XRMD trên các m ặt tinh th ể ( 11 24 ) và (0004) c ủa màng tinh th ể AlN được th ực hi ện t ại Spring- 8. Kích th ước chùm tia X vi mô l ần l ượt là 0.24 µm × 0.34 µm và 0.35 µm × 0.32 µm đối v ới các XRMD 11 24 và 0004. Các hình 3.2(b) và (c) miêu t ả c ấu hình c ủa các XRMD 11 24 và 0004. V ới XRMD 0004, chùm tia X t ới được l ựa ch ọn sao cho m ặt nhi ễu x ạ song song h ướng [1100] nh ư th ể hi ện ở hình 3.2(c). Các b ản đồ tilt-2θ của c ả hai XRMD được th ực hi ện t ại m ỗi v ị trí (X, Y) bên trong m ột di ện tích 14 µm × 4 µm trên b ề m ặt của màng tinh th ể AlN v ới các b ước 0.5 µm và 1.0 µm d ọc theo các tr ục X và Y. Ở đây, tilt được đị nh ngh ĩa là góc nghiêng c ủa các m ặt m ạng AlN (112 )4 ho ặc (0004) đố i v ới b ề mặt c ủa màng tinh th ể AlN và được xác đị nh b ởi hi ệu gi ữa góc t ới ω của chùm tia X đối với b ề m ặt màng tinh th ể và góc nhi ễu x ạ θ. Kích th ước c ủa di ện tích được chi ếu b ởi chùm tia X vi mô t ại m ỗi điểm đo (X, Y) trong b ề m ặt được quét b ởi chùm tia X (bi ểu di ễn theo các h ướng [112 ]0 × [1100]) l ần l ượt là 0.34 µm × 0.24 µm và 0.35 µm × 0.52 µm cho XRMD 11 24 và 0004. V ới XRMD 11 24 và 0004 độ xuyên sâu c ủa chùm tia X được xác định l ần l ượt là ~ 17 µm và 26 µm. Ảnh ch ụp TEM cho b ề m ặt bên c ủa màng tinh th ể AlN được th ực hi ện t ại Trung tâm nghiên c ứu kính hi ển vi điện t ử cao áp, Đạ i h ọc Osaka, Nh ật B ản. Các ảnh TEM được ch ụp v ới véc t ơ nhi ễu x ạ g = 0002 và g = 11 02 . 3.3. K ết qu ả và th ảo lu ận Hình 3.3(a) và (b) l ần l ượt miêu t ả ma tr ận các b ản đồ tilt -2θ cho các XRMD thu được t ừ m ặt m ạng b ất đố i x ứng ( 11 24 ) và b ất đố i x ứng (0004) c ủa màng tinh th ể AN t ại các v ị trí nhi ễu x ạ v ới X = 0 µm đến 11 µm và Y = 0 µm đến 4 µm trên b ề m ặt được quét b ởi chùm tia X vi mô (ta g ọi t ắt là vùng kh ảo sát). T ừ hình v ẽ ta có nh ận xét r ằng hình d ạng c ủa các v ết nhi ễu x ạ trong các b ản đồ RSM thay đổ i m ột cách tu ần hoàn d ọc theo tr ục X v ới chu k ỳ 6 µm và h ầu nh ư không đổi d ọc theo tr ục Y ứng v ới m ỗi X. Do đó, để nghiên c ứu c ấu trúc tinh th ể vi mô c ủa màng tinh th ể, ta không c ần phân tích t ất cả các b ản đồ RSM thu được trên vùng kh ảo sát mà ch ỉ c ần t ập trung vào m ột vùng nh ỏ làm đại di ện. Ở đây, chúng ta ch ọn các b ản đồ RSM ứng v ới Y = 4 µm và X = 0 đến 6 µm nh ư được th ể hi ện trên hình 3.4(a) và (b). Nh ư có th ể nhìn th ấy t ừ các b ản đồ RSM trong các hình 3.4, các v ết nhi ễu x ạ được m ở r ộng trong c ả hai h ướng tilt và 2 θ. Điều này cho th ấy m ột s ự thay đổ i trong góc nghiêng c ủa các m ặt tinh th ể và hằng s ố m ạng bên trong màng tinh th ể AlN. Để nghiên c ứu chi ti ết h ơn v ề s ự thay đổ i góc nghiêng c ủa các m ặt tinh th ể đố i v ới hướng [112 ]0 và [1100], các đường bi ểu di ễn s ự ph ụ thu ộc c ủa tilt vào c ường độ nhi ễu xạ d ạng tích phân (g ọi t ắt là profile của tilt ) cho c ả 2 nhi ễu x ạ 11 24 và 0004 đã được rút ra b ằng cách tích phân theo 2 θ tất c ả các đường bi ểu