这篇文档属于类型a，是一篇关于氮化镓（GaN）衬底抛光后亚表面损伤的阴极发光（cathodoluminescence, CL）评估的原创性研究报告。
一、研究作者与发表信息
本研究由K. Y. Lai（北卡罗来纳州立大学，North Carolina State University）及合作者（包括M. A. L. Johnson、T. Paskova、A. D. Hanser等）共同完成，合作单位还包括 Kyma Technologies, Inc.。论文发表于 phys. status solidi c 期刊的 2009年 第 6卷 特刊 s325–s328，DOI编号为 10.1002/pssc.200880891。
二、学术背景
科研领域与动机
本研究属于半导体材料与器件制备领域，聚焦氢化物气相外延（HVPE）法生长的体相GaN衬底的抛光工艺优化及其亚表面损伤评估。GaN是制备氮化物基器件（如LED、激光二极管）的理想衬底，但由于其与蓝宝石（sapphire）或碳化硅（SiC）衬底的晶格失配和热膨胀系数差异，外延薄膜中易产生位错或裂纹等缺陷。GaN同质外延衬底可显著提升器件性能，但衬底表面处理（如抛光）可能引入亚表面损伤（subsurface damage），影响后续外延生长质量。
研究目标
- 评估两种抛光工艺（Procedure 1和Procedure 2）对GaN衬底亚表面损伤的影响。
- 探索热退火（thermal annealing）对亚表面损伤的修复效果，并优化退火气体环境（含H₂与不含H₂的混合气体）。
- 通过阴极发光（CL）成像技术量化亚表面损伤深度，弥补扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）无法检测亚表面损伤的局限性。
三、实验方法与流程
1. 样品制备与抛光工艺
- 材料来源：通过HVPE法在c面蓝宝石上生长厚GaN薄膜，剥离后制备独立GaN衬底，切割为不同尺寸（10×10 mm²、18×18 mm²、25×25 mm²）。
- 两组样品：选择两组10×10 mm²样品，分别采用 Procedure 1（内部研发的机械抛光+CMP化学机械抛光）和 Procedure 2（Sinmat公司的专有抛光工艺）。
2. 热退火处理
在金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统中进行退火实验，对比两种气体环境：
- Sample A：950°C下退火10分钟，气体组成为NH₃（4000 sccm）、H₂（7700 sccm）、N₂（5000 sccm）。
- Sample B：950°C下退火60分钟，气体组成为NH₃（4000 sccm）、N₂（12700 sccm），不含H₂。
3. 亚表面损伤表征
- SEM与AFM：分析表面形貌与粗糙度（RMS值）。
- 阴极发光（CL）成像：在5-20 kV加速电压下进行全色CL成像，揭示亚表面损伤分布。
- 光致发光（PL）光谱：325 nm He-Cd激光激发，评估退火前后光学性能变化。
4. 数据分析
通过Monte Carlo模拟计算电子束在不同加速电压下的穿透深度，结合CL成像结果估算亚表面损伤深度。
四、主要结果
1. 抛光工艺对比
- Procedure 1：SEM显示表面光滑（RMS=0.12 nm），但CL成像发现亚表面损伤（表现为低发射强度线条）。
- Procedure 2：SEM和CL均未观测到损伤，但表面粗糙度略高（RMS=0.65 nm）。
2. 退火效果
- 含H₂退火（Sample A）：表面划痕增多，粗糙度显著增加（RMS=11.83 nm），PL谱显示近带边发射（near-band-edge emission）减弱，表明H₂导致非均匀蚀刻和表面化学计量比破坏。
- 无H₂退火（Sample B）：亚表面损伤显著减少，表面粗糙度小幅上升（RMS=3.75 nm），PL强度保持稳定。CL成像显示损伤深度<1.48 µm（通过15-20 kV加速电压下的CL信号变化推算）。
3. 亚表面损伤深度
结合CL成像与Monte Carlo模拟，证实损伤区集中在表面1.48 µm范围内。
五、结论与价值
- 科学价值：
- 证明CL成像是检测GaN亚表面损伤的有效手段，弥补传统SEM/AFM的不足。
- 揭示H₂在退火过程中的负面作用（加剧表面粗糙化和损伤），而NH₃/N₂混合气体退火可修复亚表面损伤。
- 应用价值：
- 推荐Procedure 2抛光工艺，因其无亚表面损伤且表面质量达标。
- 提出MOCVD预热步骤中采用NH₃/N₂退火的建议，为GaN同质外延生长提供工艺优化方向。
六、研究亮点
- 创新方法：首次系统评估抛光与退火对GaN亚表面损伤的影响，结合CL成像与Monte Carlo模拟量化损伤深度。
- 实用发现：明确H₂对GaN表面的蚀刻破坏机制，提出无H₂退火方案。
七、其他补充
研究还发现氧掺杂（oxygen doping）可能增强GaN的黄光发射（540 nm），为材料缺陷工程提供参考（见PL谱分析）。
（全文约1800字）