Reconstrucción 3D del perfil de profundidad de las impurezas segregadas mediante espectrometría de masas de iones secundarios

1. Grabado selectivo de defectos Preparación de grabadores sólidosPrepare una mezcla eutéctica de bases fuertes de hidróxido de potasio (KOH) e hidróxido de sodio (NaOH), junto con óxido de magnesio (MgO), disolviendo y mezclando los hidróxidos alcalinos y el óxido metálico que lo componen en agua destilada. Mantenga las cantidades estequiométricas de 53,6/37,3/9,1 en % de NaOH, KOH y MgO, respectivamente13. La adición de MgO aumenta la viscosidad del grabador de tal manera que permanece en la superficie Ga-polar y no fluye por los bordes hacia la superficie N-polar13,14. Todos los productos químicos utilizados deben ser de calidad práctica. Calentar la mezcla en un matraz en una placa caliente a 200 °C y agitar mediante agitación magnética durante 1 h (por encima del punto de fusión del punto eutéctico KOH-NaOH). Enfríe la mezcla a ~100 °C reduciendo la temperatura de una placa calefactora para evaporar completamente el líquido restante. Este paso depende del tamaño del matraz y del volumen de agua, por lo que puede requerir varios minutos hasta 1 h. Transfiera el grabador sólido (indicado como E + M) a una botella seca, evitando la exposición a la humedad.PRECAUCIÓN: El KOH y el NaOH pueden causar irritación de la piel y daños oculares. Trabaje con guantes y gafas. El protocolo también se puede pausar aquí. Grabado selectivo de defectosPrepare una superficie limpia de GaN para el análisis. El GaN que se cultiva epitaxialmente en zafiro se utiliza en los siguientes pasos12. Coloque la muestra de GaN en una placa calefactora calentada a ~450 °C. Coloque el termopar cerca de la muestra para leer con precisión la temperatura real. Coloque un trozo de grabador sólido E+M encima del GaN y déjelo actuar durante 3 min. Tome la muestra de la placa calefactora y colóquela en un vaso de precipitados con HCl caliente durante 3-5 minutos para eliminar el resto de E+M. Retirar la muestra del HCl e insertarla en un vaso de precipitados con agua desionizada (DI) y baño ultrasónico durante 5-10 min. Secar la muestra soplando N2 .PRECAUCIÓN: El HCl puede causar irritación de la piel y daño ocular. Trabaje con guantes y gafas. Evite quemarse. El protocolo también se puede pausar aquí. 2. Observación con microscopía electrónica de barrido (SEM) Marque la muestra (p. ej., con un rasguño en forma de L con un cortador de rotulador de diamante). Monte la muestra en un trozo de metal dedicado al modelo SEM que se va a utilizar, utilizando un adhesivo conductor (es decir, cinta conductora de carbono de doble cara o un material similar). Utilice guantes durante la preparación y transferencia de muestras para evitar la contaminación de grasa de las manos. Agregue un trozo de cinta del paso 2.2 para conectar la superficie de la muestra con un trozo de metal para evitar la acumulación de carga en la superficie de la muestra. Alternativamente, se puede aplicar un recubrimiento pulverizado con material conductor (~ 10 nm de espesor) para evitar los efectos de carga. Adquirir al menos tres micrografías SEM de alta resolución (idealmente, un mínimo de cinco) de una vista superior de la muestra. Cada imagen debe mostrar un área de al menos 25 x 25 μm. Evite tomar imágenes de las regiones de la superficie con defectos macroscópicos de la superficie. La Figura 1 presenta un resultado típico. Tenga en cuenta la posición exacta de cada imagen con respecto al marcador en forma de L.NOTA: El protocolo se puede pausar aquí. 3. Mediciones de espectrometría de masas de iones secundarios Calibración de herramientasCalibrar el equipo SIMS utilizando polaridad negativa, iones primarios Cs con energía de impacto de 7-13 keV. Alinee las vigas secundaria y primaria. Mantenga el haz lo más pequeño posible (al menos 1 μm de diámetro), ya que la resolución lateral está predeterminada por el tamaño del haz. Prepare cinco o siete configuraciones para haces con varias densidades de corriente iónica. Para simplificar, mantenga intacto el tamaño de la viga y cambie la corriente de la viga. Mida la corriente del haz y el tamaño del haz15. En los siguientes pasos, se utilizan corrientes de haz de 5 nA, 10 nA, 15 nA, 20 nA, 30 nA y 50 nA y un tamaño de punto de 1 μm. Utilice un tamaño de ráster de 50 x 50 μm y un área de análisis de 35 x 35 μm para los siguientes pasos. Elija 256 x 256 píxeles para la resolución espacial. Si no se especifica lo contrario, utilice un tiempo de integración estándar para cada señal (normalmente 1-2 s). Estabilidad de la fuente primariaElija un ajuste con una corriente de haz moderada (15-20 nA). Obtenga una serie de imágenes utilizando el ion secundario 30Si2- para una oblea de silicio en blanco. Para cada imagen, integre la señal durante 5-10 min. Realice comparaciones píxel a píxel de todas las imágenes con la primera imagen. Si el >5% de los píxeles muestran una diferencia del >5% con respecto a la primera imagen, esto indica que el haz se volvió inestable. Tenga en cuenta el intervalo de tiempo de la estabilidad del haz. MediciónNOTA: Los siguientes pasos se realizan dentro de un intervalo de tiempo estable de la viga.Siga el procedimiento descrito por Peres et al. para estimar el nivel de fondo de contaminación por oxígeno en la cámara de medición7. Para cada medición, no es necesario obtener los valores absolutos de concentración de oxígeno, ya que la relación de intensidad de las señales de 16 O y 69Ga- es suficiente. Utilice los ajustes de haz preparados en el paso 3.1.2. Realice al menos cinco mediciones para cada ajuste del haz. Obtenga un perfil de profundidad utilizando un ion secundario de 16 O-, alcance una profundidad de ~ 200 nm y mida la intensidad del ion secundario de 69Ga- integrando la señal durante 10-15 s. No realice esto en regiones donde se hayan obtenido imágenes SEM. Grafique la relación de intensidad de las señales de 16 O y 69Ga- en función de la densidad de corriente primaria invertida (no es necesario calcular valores absolutos). Se espera un buen ajuste lineal (aquí, R2 = 0,997). Estime la contribución de fondo de vacío como se muestra en la Figura 2. Elija un haz intenso (30 nA) para los siguientes pasos. Obtenga una imagen que se utilizará para la corrección de campo plano. Utilice un ion secundario de 30Si2- para una oblea de silicio en blanco. Integre la señal durante 5-10 min. La Figura 3 presenta un resultado típico. Realice mediciones de perfil de profundidad en las mismas regiones donde se adquirieron las imágenes SEM. Utilizando un ion secundario de 16O-, integre la señal durante 3-5 s para cada punto de datos.NOTA: El protocolo se puede pausar aquí. 4. Tratamiento de datos Reconstruya una imagen 3D a partir de un perfil de profundidad. Realice la corrección de campo plano: normalice píxel a píxel cada imagen de 16iones O utilizando una imagen de referencia obtenida en el paso 3.3.4. La Figura 4A presenta los datos sin procesar y la Figura 4B presenta la imagen después de la corrección de campo plano. Estime la contribución del fondo de vacío a partir de una gráfica obtenida en el paso 3.3.2. No es necesario calcular valores absolutos; Sin embargo, tenga en cuenta el porcentaje específico de los recuentos totales que se pueden atribuir a la contribución de fondo de vacío. Un valor entre el 90 y el 95% es típico para un experimento de este tipo. Reste la contribución de fondo del vacío: elimine aleatoriamente el 90-95% de los 16 recuentos O registrados. La Figura 4C presenta un resultado típico para un solo plano. Trace los recuentos restantes como una imagen 3D. La figura 5 presenta un resultado típico. Integre señales de todos los puntos de datos y superponga la imagen 2D sobre la imagen SEM obtenida previamente utilizando cualquier software de edición de imágenes con soporte de capas. Trate la imagen SEM como fondo. Una capa que contenga resultados de SIMS solo debe contener recuentos reales como píxeles de color (elimine las regiones blancas intermedias). Añade ~30% de transparencia a esta capa. La figura 6 presenta un resultado típico