GaN/InGaN涂层纳米压痕和纳米划痕特性的评价

GaN/InGaN涂层纳米压痕和纳米划痕特性的评价

本研究采用Berkovich纳米压痕技术，揭示GaN/InGaN多量子阱结构的深度相关硬度特性，解析蓝宝石衬底界面应力分布规律，为氮化物半导体器件可靠性提升提供力学数据支撑。

作为第三代半导体材料的代表，GaN/InGaN异质结构在光电子器件领域展现独特优势。本研究通过纳米压痕与划痕测试技术，系统分析了蓝宝石衬底上生长的多量子阱涂层力学行为，为提升器件可靠性提供数据支撑。

氮化物半导体力学性能研究背景

采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）工艺制备的GaN/InGaN量子阱结构，因其3.4eV直接带隙特性，已成为高亮度LED和激光二极管的核心材料。但晶格失配导致的界面应力问题（蓝宝石衬底晶格失配度达16%），直接影响器件工作稳定性。通过纳米级力学测试可精准表征涂层/基底体系的界面结合强度。

纳米压痕测试关键技术解析

实验采用Berkovich金刚石压头（顶角142.3°，曲率半径150nm）进行加载测试，如图1所示：

图1 （左）蓝宝石上的GaN/InGaN MQW结构示意图，（右）MQW结构的负载-位移曲线。

当最大载荷达100μN时，压痕深度控制在24nm范围内。测试数据显示：

• 初始硬度值达17.5GPa（渗透深度<10nm）
• 弹性模量稳定在220-226GPa区间
• 当载荷超过31.75μN时出现首次位错突进现象

深度相关硬度变化规律

通过图2的硬度-深度关系曲线发现：

图2 （a, b）平均硬度与渗透深度的关系，（c, d）分别使用立方体角压头和Berkovich压头从10 mN深度剖面中获得的GaN/InGaN的平均还原模量与渗透深度的关系

1. 表层5nm范围内呈现显著尺寸效应（硬度增幅达40%）
2. 位错滑移主导区（10-20nm）出现典型应变硬化现象
3. 界面过渡区（>20nm）硬度值趋于稳定

纳米划痕行为与失效机制

采用立方角压头（尖端半径2μm）进行划痕测试发现：

• 临界载荷Lc1=15mN时出现微裂纹
• Lc2=28mN时发生界面分层失效
• 划痕槽边缘呈现InGaN材料塑性流动特征（AFM图像显示约200nm宽变形区）

工程应用价值与展望

本研究建立的深度相关硬度模型，为量子阱结构设计提供重要参数。建议后续研究重点：

• 退火工艺对界面残余应力的影响
• 周期性应变对载流子迁移率的关联性
• 多结结构中的层间应力分布优化

参考文献：

1. Bucaille, J. L.; Gauthier, C.; Felder, E.; Schirrer, R., The influence of strain hardening of polymers on the piling-up phenomenon in scratch tests: Experiments and numerical modelling. Wear 2006, 260 （7）, 803-814.