拉曼光譜在第三代半導(dǎo)體材料測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用

付丙磊，張爭(zhēng)光，王志越

(中電科電子裝備集團(tuán)有限公司，北京 100070)

GaN是第三代半導(dǎo)體材料的重要代表，是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的"核芯"，大量應(yīng)用于航空、航天等重要領(lǐng)域，在半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)、新能源汽車等民品領(lǐng)域市場(chǎng)前景廣闊，是關(guān)乎國(guó)防安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料。應(yīng)力、有源區(qū)結(jié)溫等性質(zhì)對(duì)GaN器件性能具有相當(dāng)重要的影響，如何對(duì)其進(jìn)行精確、無損、便捷的檢測(cè)成為科研及工業(yè)界亟需解決的重要問題。拉曼光譜是利用光與物質(zhì)的相互作用來進(jìn)行材料分析的手段，具有非接觸、無損等特點(diǎn)，可以得到材料應(yīng)力、晶體組分、器件結(jié)溫、自由載流子濃度等第三代半導(dǎo)體材料、器件的重要信息，在第三代半導(dǎo)體測(cè)試領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

本文綜述了第三代半導(dǎo)體GaN材料體系的拉曼光譜性質(zhì)，并對(duì)其在第三代半導(dǎo)體無損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 第三代半導(dǎo)體GaN材料的拉曼光譜

拉曼光譜是一種非彈性散射光譜，晶格振動(dòng)（聲子）是拉曼光譜的主要研究對(duì)象。當(dāng)用一定頻率的激發(fā)光照射晶體時(shí)，入射光與晶體中的聲子等元激發(fā)發(fā)生非彈性散射（散射光的頻率與激發(fā)光的頻率不等的散射），散射光性質(zhì)與晶體中聲子等元激發(fā)密切相關(guān)，通過對(duì)散射光頻率、強(qiáng)度等性質(zhì)的分析，可以得到晶體應(yīng)力、晶體質(zhì)量、組分、結(jié)溫、自由載流子濃度等方面的信息。

只有一個(gè)聲子參與的拉曼散射稱為一階拉曼散射。在GaN材料的拉曼光譜分析中，我們關(guān)心的主要是一階拉曼散射，該類聲子主要來自布里淵區(qū)的中心。

聲子種類與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。GaN晶體結(jié)構(gòu)主要有兩種：立方對(duì)稱的閃鋅礦結(jié)構(gòu)以及六方對(duì)稱的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，如圖1所示[1]。其中纖鋅礦結(jié)構(gòu)是熱力學(xué)穩(wěn)定相，閃鋅礦結(jié)構(gòu)是亞穩(wěn)定相。六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)屬于C46v空間群，單胞中有四個(gè)原子。根據(jù)群論分析，六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)晶體中布里淵區(qū)中心聲子共 8種[2]：2個(gè) A1聲子、2個(gè)E1聲子、2個(gè)B1聲子以及2個(gè)E2聲子，其中可以參與拉曼散射的是1個(gè)A1聲子、1個(gè)E1聲子以及2個(gè)E2聲子，具體參與實(shí)際拉曼散射過程的聲子與測(cè)量時(shí)的光學(xué)幾何配置有關(guān)。（cm-3）E2（high）EH2

圖1 GaN晶體結(jié)構(gòu)：

在拉曼光譜測(cè)量中，常用的幾何配置為背散射配置，即入射光與散射光方向相反。當(dāng)入射光入射（0001）表面時(shí)，只有 E2聲子及 A1（LO）聲子從幾何對(duì)稱角度是允許的，具體測(cè)到的峰還要參考入射光與散射光的偏振情況。當(dāng)入射光與散射光偏振平行時(shí)，E2峰及A1（LO）峰都可以測(cè)到；到入射光與散射光偏振垂直時(shí)，只能測(cè)到E2峰。測(cè)量幾何配置與對(duì)應(yīng)聲子的情況如表1所示。

表1 六方氮化物拉曼測(cè)量幾何配置及對(duì)應(yīng)的聲子模式

圖2 六方氮化物拉曼測(cè)量幾何配置及對(duì)應(yīng)的聲子模式[3]

2 拉曼光譜在GaN材料測(cè)試領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)力表征

由于第三代半導(dǎo)體GaN材料異質(zhì)外延的特性，晶格失配及熱失配在材料生長(zhǎng)和器件制備的過程中均會(huì)引入應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致材料缺陷以及器件性能的變化，對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)試和表征，對(duì)器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的優(yōu)化都有重要意義。當(dāng)材料中存在應(yīng)力時(shí)，材料的晶格會(huì)發(fā)生形變，因而晶格的振動(dòng)頻率會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致拉曼散射峰位的變化，晶格拉曼散射對(duì)材料應(yīng)力非常敏感，是測(cè)量材料應(yīng)力的一種有力手段。

2.2 晶體組分及質(zhì)量表征

在實(shí)際的器件應(yīng)用中，GaN材料經(jīng)常需要與InxGa1-xN、AlxGa1-xN等三元合金材料構(gòu)成異質(zhì)結(jié)。對(duì)InxGa1-xN、AlxGa1-xN等合金材料的組分精確測(cè)量與控制是器件工藝的重要目標(biāo)之一。

圖3 GaN中Mg摻雜對(duì)拉曼峰位及半峰寬的影響[5]

理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)觀察均表明，對(duì)于InxGa1-xN、AlxGa1-xN 三元合金材料來說，A1（LO）聲子模均表現(xiàn)出單模式特性，即隨著組分變化，聲子頻率隨組分x的變化連續(xù)、近乎線性的變化。對(duì)于無應(yīng)力的，馳豫的材料來說，對(duì)InxGa1-xN材料[6]，取GaN A1（LO）聲子模的頻率為 734 cm-1，InN A1（LO）聲子模的頻率為586 cm-1，則InxGa1-xN材料A1（LO）聲子模頻率為：ω0（x）=(736±1)-(149±2)x；對(duì) AlxGa1-xN 材料[3]，ω0（x）=746+169.5x+11.7x2-36.6x3。在上述公式的基礎(chǔ)上，綜合考慮材料應(yīng)力情況，可以由相應(yīng)的峰位數(shù)據(jù)進(jìn)一步得到InxGa1-xN、AlxGa1-xN的組分值。

如上所述，拉曼光譜與晶體質(zhì)量也有一定關(guān)系。主要是利用GaN的峰，隨著晶體中缺陷的增加，聲子-缺陷散射、應(yīng)力的變化等因素均會(huì)導(dǎo)致半峰寬的增大，從而定性的表征晶體質(zhì)量[7]。

2.3 溫度表征

GaN等第三代半導(dǎo)體材料由于其良好的熱學(xué)性質(zhì)，成為高溫、高功率器件的良好選擇，在高效LED、高功率微波器件等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。器件工作狀態(tài)的結(jié)溫直接關(guān)系到元器件的壽命和性能，因而器件的熱性能測(cè)試對(duì)于其生產(chǎn)和應(yīng)用都有十分重要的意義。拉曼光譜作為一種非接觸、無損的測(cè)量方式，已經(jīng)被成功的應(yīng)用于Si、Ge、金剛石、GaAs以及GaN等材料溫度的測(cè)量[8]。

拉曼散射中聲子能量隨溫度的變化主要是由于晶格的熱膨脹及熱收縮引起，隨溫度的升高拉曼光譜的峰位向低頻側(cè)移動(dòng)。Ming S.Liu等人提出了GaN中拉曼光譜的峰位隨溫度變化的經(jīng)驗(yàn)公式[8]：ω（T）為溫度0 K時(shí)的拉曼聲子頻率，?為約化普朗克常數(shù)、kB為玻爾茲曼常數(shù)，A、B為擬合參數(shù)。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可以得到各參數(shù)的值，可用于GaN器件結(jié)溫的計(jì)算。對(duì)于藍(lán)寶石襯底上GaN 薄膜，E2模：ω0的值為 568.2±0.2 cm-1，A 的值為 17.9±2.4 cm-1，B 的值為 0.99±0.08 cm-1；A1（LO） 模 ：ω0的值 為 743.6±0.4 cm-1，A 的 值 為7.08±3.6 cm-1，B 的值為 0.38±0.15 cm-1。對(duì)于自支撐 GaN 薄膜，E2模：ω0的值為 568.4±0.05 cm-1，A的值為 19.9±1.1 cm-1，B 的值為 1.13±0.03 cm-1；A1（LO） 模：ω0的值為 741.2±0.4 cm-1，A的值為8.78±3.0 cm-1，B 的值為 0.37±0.10 cm-1。該方法已經(jīng)被成功應(yīng)用于高功率倒裝GaN基LED芯片結(jié)溫的分析[9]。

圖4 GaN中E2峰位隨溫度的變化[8]

2.4 載流子濃度表征

自由載流子濃度與半導(dǎo)體材料及器件的電學(xué)性能直接相關(guān)，在極性半導(dǎo)體材料中，LO聲子與自由載流子等離子體在宏觀電場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生很強(qiáng)的耦合作用，產(chǎn)生一對(duì)LO聲子-等離子耦合模（L+和L-），這種耦合作用主要來源于原子位移導(dǎo)致的光學(xué)極化作用。耦合模的頻率與自由載流子的濃度直接相關(guān)，可以用來分析GaN材料中的n型載流子濃度。當(dāng)GaN中載流子濃度增大時(shí)，耦合模L+向高頻側(cè)移動(dòng)，同時(shí)伴隨著峰強(qiáng)度的降低和半峰寬的增大，如圖5所示[3]。

圖5 n型GaN中A1（L+）峰隨摻雜濃度的變化[3]

通?？梢酝ㄟ^對(duì)L+峰型的擬合定量的得到材料中自由載流子的濃度。L+峰的形狀可以通過以下公式擬合得到：

其中，S為常數(shù)，A(ω)與形變勢(shì)等因素有關(guān)，具體的公式可見文獻(xiàn)[3]。ε(ω)可以由以下公式得出：

其中 ωT與 ωL是非耦合的 A1（TO） 模頻率（533 cm-1）以及 A1（LO）模頻率（735 cm-1），ε∞為光學(xué)介電函數(shù)（5.35），Γ是聲子阻尼常數(shù)，γ是等離子體阻尼常數(shù)，ωp為等離子體頻率。ωp可以由以下公式得到（電子有效質(zhì)量）。n為自由載流子濃度。

對(duì)于P型GaN材料，由于空穴等離子體的過阻尼特性，利用LO聲子等離子體耦合模來精確的測(cè)定材料的電學(xué)性質(zhì)非常困難，需要利用其它的方法?？昭舛纫环矫婵梢詮腜型GaN拉曼光譜低頻區(qū)域的連續(xù)帶強(qiáng)度得到，另一方面也可以根據(jù)657 cm-1處激活Mg受主的局域振動(dòng)模強(qiáng)度得到[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，GaN拉曼光譜測(cè)試的理論框架已經(jīng)基本清晰，在材料應(yīng)力、晶體組分、器件溫度、自由載流子濃度的測(cè)試領(lǐng)域也積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)一步結(jié)合顯微拉曼光譜等技術(shù)，可以達(dá)到很好的空間分辨率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件不同位置物理性質(zhì)的深入分析。拉曼光譜非接觸、無損的特點(diǎn)，使其在第三代半導(dǎo)體在位檢測(cè)、無損檢測(cè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛力。未來，一是需要進(jìn)一步提高測(cè)量的可靠性、分辨率，盡可能消除熒光干擾；二是結(jié)合第三代半導(dǎo)體材料科學(xué)的最新進(jìn)展，進(jìn)一步明確InxGa1-xN、AlxGa1-xN等第三代半導(dǎo)體三元合金的拉曼光譜性質(zhì)；三是進(jìn)一步發(fā)展拉曼光譜的工程學(xué)應(yīng)用，充分發(fā)揮其在第三代半導(dǎo)體材料及器件檢測(cè)中的作用。