XRD搖擺曲線如何表征晶體生長質(zhì)量

我們先來看看XRD簡單的介紹：

X射線又叫X光，X射線的產(chǎn)生裝置即X射線管，其原理是由陰極發(fā)射的熱電子，在幾kV~幾十kV高壓作用下，高速飛向陽極靶，靶面物質(zhì)與高速運動的電子相互作用，即發(fā)射出X射線。當陽極靶是銅靶，X射線波長是1.54埃，與大多數(shù)晶體中的原子之間的距離相當。當X射線照射到樣品上，X射線被樣品晶體中規(guī)則排布的原子或分子散射，由于X射線是一種電磁波，散射的X射線發(fā)生干涉，在某些特定方向上會形成集中的波峰（相長干涉），即發(fā)生布拉格（Bragg）衍射。布拉格衍射信號的方位、強度與樣品的晶格常數(shù)、成分、晶相等參數(shù)有關(guān)，分析布拉格衍射信號就可以得到樣品的上述參數(shù)。

下面以氮化鋁（AlN）為例，說明XRD搖擺曲線如何表征晶體生長質(zhì)量。

在藍寶石襯底上外延生長高質(zhì)量的AlN模板是實現(xiàn)高質(zhì)量AlGaN材料行之有效的途徑之一，而AlGaN材料是深紫外發(fā)光器件、光電器件與電子器件的核心材料，在殺菌消毒、特殊通信、5G射頻器件、電力電子器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。XRD是表征AlN晶體質(zhì)量的一種重要手段，利用XRD測量AlN樣品的搖擺曲線可以得到AlN樣品的晶體質(zhì)量。

二、搖擺曲線的測量原理

測試搖擺曲線（Rocking Curve，有時縮寫為RC）的時候，保持樣品不動，探測器位置保持不變，同時樣品法線方向與探測器表面法線方向之間的夾角也保持不變，然后在一定范圍內(nèi)改變X射線的入射角（X射線與樣品樣品表面的夾角ω），探測器檢測不同ω下，待測晶面的X射線衍射強度。ω變化范圍的中心是待測晶面發(fā)生布拉格衍射時對應(yīng)的入射角。將X射線衍射強度與ω的關(guān)系顯示在平面圖上，平面圖中的橫坐標X是ω，縱坐標Y軸是X光強度，所得的曲線就是搖擺曲線。

假設(shè)待測晶面平行于襯底表面生長且各層晶面的間距一致，則只在布拉格衍射方向上才有衍射強度，其他方向都沒有衍射強度，搖擺曲線就是一條垂直于X軸的直線（忽略儀器分辨率、晶格畸變、晶粒細化等因素而導致的信號展寬）。假設(shè)待測晶體在各個面均有生長（隨機生長），即待測晶面與襯底表面成各個角度的可能性均等(就像理想的多晶結(jié)構(gòu))，由于各個面都發(fā)生布拉格衍射，此時在搖擺曲線中無論橫坐標為何值，該樣品的衍射強度都是一樣的，即一條平行于X軸的直線（同樣忽略信號展寬）。實際樣品的搖擺曲線是一個垂直于X軸的鐘型尖峰，計算計算尖峰的半高寬，用于反映X射線被待測晶面反射后其衍射束的發(fā)散情況，從而了解待測晶體的生長質(zhì)量。半高寬越小則晶體質(zhì)量越好，反之越差。

半高寬，又稱為半峰寬，指的是衍射峰高度最大處高度為一半時的全寬，也即峰值高度一半時的衍射峰寬度。

有兩種方法計算半高寬:

一種是半高寬法，即做峰底的切線L，在峰高一半的地方做L平行線。

一種是積分法，做峰底的切線L，測量峰的面積，測量峰的高度，用"面積/高度"得到峰寬。

FWHM與高斯峰的標準差σ的關(guān)系:

FWHM = 2√(2ln2) ≈ 2.355σ。

三、測量實例

設(shè)備名稱:高分辨X射線衍射儀（XRD)

型號：日本理學RIGAKU Smartlab 9kw

雙晶測試搖擺曲線RC：

Ge（220）雙晶（X 射線經(jīng)過兩塊 Ge220 晶體可獲得高分辨率數(shù)據(jù)，分辨率≈0.01°）

測試方法：參照國家標準GB/T 32188-2015

樣品：兩個樣品（SampleA、SampleB）

分別測量兩個樣品的(002)、(102)晶面的RC曲線，并計算他們的半高寬，結(jié)果如下所示：

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