Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów Dyfrakcja i Reflektometria Rentgenowska

Transkrypt

1 Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów Dyfrakcja i Reflektometria Rentgenowska Michał Leszczyński Stanisław Krukowski i Michał Leszczyński Instytut Wysokich Ciśnień PAN Warszawa, ul Sokołowska 29/37 tel: stach@unipress.waw.pl, mike@unipress.waw.pl Zbigniew R. Żytkiewicz Instytut Fizyki PAN Warszawa, Al. Lotników 32/46 tel: ext zytkie@ifpan.edu.pl Wykład 2 godz./tydzień poniedziałek Interdyscyplinarne Centrum Modelowania UW Siedziba ICM UW - Pawińskiego 5a

2 Dyfrakcja i Reflektometria Rentgenowska Michał Leszczynski Instytut Wysokich Ciśnie nień i TopGaN Wykład

3 History pierwsza obserwacja dyfrakcji rtg na krysztale: Max von Laue teoria dyfrakcji rtg: W.L. Bragg, W.H. Bragg, R.W. James pierwszy dyfraktometr: Philips Anal pierwszy komputer osobisty: S. Wozniak and S. Jobs

4 OUTLINE I. Dyfraktometr II. Pomiary Doskonałe kryształy i warstwy epi Warstwy niedopasowane sieciowo Warstwy steksturowane Cienkie warstwy Materiały polikrystaliczne

5 Dyfraktometr Wiązka pierwotna Główka goniometryczna Wiązka ugięta

6 Konfiguracje dyfraktometru 1. Pionowa i pozioma 2. Odbicie (przypadek Bragga) i transmisji (przypadek Laue go)

7 Konfiguracja dyfraktometru 1. Rozbieżność wiązki pierwotnej kompromis pomiędzy intensywnością, a precyzją pomiaru 2. Główka goniometryczna (każdy ruch kosztuje pieniądze) 3. Analizator wiązki ugiętej 4. Detektor

8 Doskonałe e kryształy y i warstwy epi Photo plate Double axis, double crystal, rocking curve configuration, krzywa odbicia

9 Krzywa odbicia dla 10-studni InGaN/GaN intensity (cps) experimental intensity (cps) experimental simulation theta (deg) 1 simulation Angle 2 theta (deg) Brak segregacji indu, d(well)=3.2 nm, d(barrier)=7.1 nm, average = 3.2% x average

10 Krzywa odbicia dla 10 studni InGaN/GaN w diodzie laserowej z segregacją indu experiment simulation intensity [a. u.] ,1 0, theta [rel. sec.] Angle (arc sec)

11 Struktura mozaikowa kryształu u GaN

12 Topografia kryształu u GaN

13 EL2-like defects LT GaAs GaAs 300 K 77 K dark 77 K nm nm Or +140 K

14 Informacje z krzywych odbić i topografii Kryształy objętościowe (GaAs, Si, InP, i in.): i) mozaika (gęstość dyslokacji powyżej 10 6 cm -2 ), ii) wygięcie, iii) dezorientacja Warstwy epi: i) grubość (+/- 2-5 A) ii) Skład warstw potrójnych z dokładnością 1% iii) Gradienty składu

15 Warstwy silnie niedopasowane sieciowo Triple axis, triple crystal Krzywa dyfrakcyjna

16 Przykład: Anihilacja defektów implantacyjnych Wymagane jest 1200 o C

17 Implantacja w wysokiej temperaturze Wymagane jest tylko 800 o C

18 Rozepchnięcie cie sieci przez swobodne elektrony

19 Mapowanie sieci odwrotnej InGaAs GaAs

20

21 Informacje z pomiarów w w konfiguracji trójosiowej i mapowania sieci odwrotnej Gęstość dyslokacji powyżej 10 5 cm -2 Parametry sieci (skład chemiczny, swobodne elektrony): ( a/a> 10-5 ) Supersieci

22 Warstwy silnie steksturowane Omega, psi, phi- rotations of sample: misorientation of crystallites 2theta scans: strains

23 Figury polowe

24 Informacja z figur polowych, omega- skanów w i 2theta/omega skanów Orientacja krystalitów Wielkość krystalitów (jeżeli mniejsze, niż ok µm) Naprężenia ( a/a> 10-3 )

25 Thin layers Diffraction Reflectivity

26 Diffraction from polycrystalline samples File name: NITI2.IDF, date and time: 15/11/ :25:04 Counts Au Incidence angle 0.2 deg Penetration depth about 200 A Ni 2 theta Incidence angle 0.6 deg Penetration depth about 700 A 44 ş2theta 46 Au Ni GaN:Mg

27 Reflectivity- surface roughness RMS 1A RMS 20A

28 Reflectivity- density Si Au

29 Reflectivity-layer layer thickness 60 nm Ni on Si 10 nm Au 60 nm Ni on Si

30 Surface diffraction (grazing incidence) I D D Θ R R Θ

31 Polycrystalline materials Bragg-Brentano configuration

32 Powder diffractogram

33 Information from powder Phase analysis diffractometry Quantitative analysis (with standards, standardless) Grain size Strains

34 Concluding remarks Fast hardware development: Goebel mirror, 1-d detectors (2-d detectors still very expensive and with too low resolution) Interpretation of experimental data- time consuming Lack of a good theory of X-ray diffraction from non-perfect structures

35