第三代半導體材料氮化鎵的拉曼光譜分析

摘要：第三代半導體材料中氮化鎵是高頻電子器件、大功率電子器件和微波功率器件制造領域的首選材料。為了實現高質量氮化鎵材料的外延生長，并且精準表征氮化鎵外延材料的特性，文章對氮化鎵外延材料進行了深入的拉曼光譜分析。實驗結果表明，對氮化鎵外延材料進行拉曼光譜分析時最佳掃描范圍是100～1 000 cm-1、最佳曝光時間是5 s、最佳光孔直徑為100 μm，從而更精準地表征氮化鎵外延材料，進而對微波功率器件的性能提升起到推動作用。

關鍵詞：第三代半導體材料；氮化鎵；拉曼光譜

中圖分類號：TN304" 文獻標志碼：A

0 引言

第三代半導體材料出現后，逐步形成以氮化鎵材料［1］為代表的一系列半導體材料，其中還包括碳化硅和金剛石等。第三代半導體材料有其獨有的特性，比如禁帶寬度大、電子遷移率高以及擊穿場強大等［2］。

在半導體材料進行異質外延時，有2種因素會導致外延層產生應變。拉曼光譜測試儀就是利用這一原理進行工作。這2種因素包括：襯底材料的膨脹系數與外延層的膨脹系數存在較大差異、襯底材料的晶格常數和外延材料的晶格常數存在較大差異。在半導體中引入殘余應力，會使得半導體能帶結構以及外延層的結構性質產生變化，當應力較大時還會引起外延層產生裂紋。拉曼峰的位置能夠顯示樣品的成分分布，其中包括化學組成、結構和形態等。峰位位移能夠顯示樣品的屬性分布，其中包括應力和溫度。拉曼散射光譜在研究材料各項性能和晶格等方面起到很大作用，其優勢在于非接觸性、非破壞性，并且不使用特殊的樣品制備［3-4］。氮化物半導體中存在特殊的化學鍵，這種化學鍵屬于共價鍵和離子鍵的混合型，并且很容易受激光輻射，正因如此更適合用拉曼散射來進行分析［5］。

若要提升微波功率器件的性能，需要從提高第三代半導體材料氮化鎵的晶體質量出發，對氮化鎵材料進行深入詳盡的拉曼光譜分析。

1 實驗方法

氮化鎵外延材料中產生殘余熱應變，這是由襯底材料的膨脹系數與氮化鎵外延層的膨脹系數存在巨大差異造成的。在進行拉曼光譜測試時，殘余熱應變會導致氮化鎵外延材料拉曼光譜的峰位發生變化［6］。因此，利用拉曼光譜測試儀對氮化鎵外延材料進行拉曼光譜分析，就能夠得到拉曼光譜的峰位改變情況并以此來表征氮化鎵外延材料受到的應力情況，從而有助于優化氮化鎵外延材料的生長工藝。

本文利用拉曼光譜測試儀對氮化鎵外延材料進行拉曼光譜分析。通過分析掃描范圍、曝光時間、拉曼光孔大小等測試參數的意義，并改變相關測試參數，分析測試參數對拉曼光譜的影響。使用拉曼光譜測試儀前，首先要對儀器參數進行校正，即拉曼峰位校正。選擇指定光柵，通過掃描硅晶體，以其特征峰作為校正光柵的零點位置。校正后，對氮化鎵材料進行拉曼光譜掃描。通過拉曼光譜測試儀模擬并進行數據處理，通過洛倫茲和高斯的混合函數進行擬合，進而得出峰位和強度信息。

2 結果與分析

2.1 掃描范圍對氮化鎵外延材料拉曼光譜的影響

通過改變拉曼光譜測試儀掃描范圍，分析氮化鎵外延材料的拉曼光譜變化。拉曼光譜測試儀的掃描范圍是指：待測樣品單點測試時激光器掃描的光譜范圍，其單位是波束（cm-1）。掃描范圍的設置方法為：掃描范圍菜單中模式選擇為多窗口模式，From和To設定具體掃描范圍，例如From：100，To：1 000表示掃描范圍為100～1 000 cm-1。將掃描范圍分別設定為0～3 000 cm-1、0～2 000 cm-1、0～1 000 cm-1、100～1 000 cm-1，使用50倍鏡頭。其他設置為：單點采譜，曝光時間為5 s，光孔直徑為100 μm，曝光次數為1次。

通過改變掃描范圍可以看出，將掃描范圍為0～3 000 cm-1的拉曼光譜與掃描范圍為0～2 000 cm-1的拉曼光譜對比，后者幾乎涵蓋前者的所有峰位并能夠清晰地展示出來，所以掃描范圍可暫定為0～2 000 cm-1。將掃描范圍為0～2 000 cm-1的拉曼光譜與掃描范圍為0～1000cm-1的拉曼光譜對比，由于氮化鎵特征峰峰位在566 cm-1左右，所以掃描范圍設定為0～1 000 cm-1即可。將掃描范圍為0～1 000 cm-1的拉曼光譜與掃描范圍為100～1 000 cm-1的拉曼光譜相比，拉曼光譜在0～100 cm-1范圍內的曲線反射強度陡然降低，屬于異常光譜，因此盡量避免該掃描范圍。綜上所述，對氮化鎵外延材料進行拉曼光譜分析時，最佳掃描范圍是100～1 000 cm-1，此時拉曼光譜清晰、準確并且足夠全面。

2.2 曝光時間對氮化鎵外延材料拉曼光譜的影響

通過改變拉曼光譜測試儀的曝光時間，分析氮化鎵外延材料拉曼光譜變化。拉曼光譜測試儀的曝光時間是指：待測樣品單點測試時激光器的單次曝光的時長，其單位是秒（s）。將曝光時間分別設定為5 s、10 s、20 s、30 s，使用50倍鏡頭。其他設置為：單點采譜，曝光數為1次，光孔直徑為100 μm，掃描范圍100～1 000 cm-1。該設置拉曼光譜測試儀掃描結果依次如圖1—4所示。

通過改變拉曼光譜測試儀的曝光時間可以看出，曝光時間越長，拉曼峰的峰強越高。當曝光時間為5 s時，從圖1中可以看出，氮化鎵特征峰清晰明顯，同時將曝光時間為10 s、20 s、30 s的拉曼光譜與將曝光時間為5 s的拉曼光譜對比可知，后者掃描總時間短并且掃描效率較高。綜上所述，對氮化鎵外延材料進行拉曼光譜分析時的最佳曝光時間是5 s，此時拉曼光譜清晰、明顯并且掃描效率更高。

2.3 光孔直徑對氮化鎵外延材料拉曼光譜的影響

通過改變拉曼光譜測試儀的光孔直徑，分析氮化鎵外延材料拉曼光譜變化。拉曼光譜測試儀的光孔直徑是指：514 nm波長的激光穿過光孔的直徑，其單位是微米（μm）。將光孔直徑分別設定為50 μm、100 μm、200 μm，使用50倍鏡頭。其他設置為：單點采譜，曝光數為1次，曝光時間為5 s，掃描范圍100～1 000 cm-1。該設置拉曼光譜測試儀掃描結果如圖5—6所示。

通過改變拉曼光孔直徑可以看出，將圖5光孔直徑為50 μm的拉曼光譜與圖1光孔直徑為100 μm的拉曼光譜相比，前者基準線波動強烈，后者基準線更為平緩、清晰、穩定。后者氮化鎵特征峰（峰位約為570 cm-1）約為前者的3倍，拉曼光譜的曲線峰形更加強烈清晰。并且光孔直徑為50 μm的拉曼光譜沒有位于144 cm-1處的氮化鎵的E2（low）峰。因此，光孔直徑設置為100 μm比設置為50 μm更能夠全面清晰穩定地表征氮化鎵外延材料的拉曼光譜。將圖1光孔直徑為100 μm的拉曼光譜與圖6光孔直徑為200 μm的拉曼光譜相比，后者氮化鎵特征峰約為前者的2倍，更為強烈清晰，然而當光孔直徑過于擴大" 時，拉曼激光同時會產生強烈的散射，不利于安全操作。相對而言，光孔直徑設置為100 μm更為可靠。綜上所述，對氮化鎵外延材料進行拉曼光譜分析時最佳光孔直徑為100 μm，此時拉曼光譜清晰、穩定并且測試安全可靠。

3 結語

通過對氮化鎵外延材料進行深入的拉曼光譜分析，能夠更精準地分析氮化鎵外延材料，從而對微波功率器件的性能提升起到重要作用。根據改變拉曼光譜測試儀的掃描范圍、曝光時間、光孔直徑等關鍵參量設計實驗，對比分析得出：對氮化鎵外延材料進行拉曼光譜分析時的最佳掃描范圍是100～1 000 cm-1，此時拉曼光譜清晰、準確并且足夠全面；最佳曝光時間是5 s，此時拉曼光譜清晰、明顯并且掃描效率更高；最佳的光孔直徑為100μm，此時拉曼光譜清晰、穩定并且測試安全可靠。其他相關參數設置為：單點采譜，曝光次數為1次。在該設置狀態下，研究人員能夠全面深入準確地對氮化鎵外延材料進行拉曼光譜分析，掃描結果最佳，且最適合氮化鎵外延材料的表征。

參考文獻

［1］周平，任霄鈺，苑進社.MBE生長GaN納米柱XRD和AFM分析［J］.重慶理工大學學報，2014（4）：104-107.

［2］王平.GaN材料的特性與應用［J］.電子元器件應用，2001（10）：32-35.

［3］陶東言，劉超，尹春海，等.離子注入法制備GaN：Er薄膜的Raman的光譜分析［J］.光譜學與光譜分析，2013（3）：699-703.

［4］高國明，李雪，覃宗定，等.消除拉曼光譜熒光背景的新方法及其應用［J］.光學學報，2013（2）：258-266.

［5］薛曉詠.氮化鎵材料的不同極性面拉曼光譜分析［D］.西安：西安電子科技大學，2012.

［6］CHOI S. Stress metrology and thermometry of AlGaN/GaN HEMTs using optical methods［D］. Atalanta： Georgia Institute of Technology， 2013.

Raman spectroscopic analysis of the third generation semiconductor material Gallium Nitride

Abstract： "Gallium Nitride has become the preferred material in the manufacturing of high-frequency electronic devices， high-power electronic devices and microwave power devices in the third generation semiconductor materials. How to achieve epitaxy growth of high quality Gallium Nitride materials and accurately characterize the characteristics of Gallium Nitride epitaxy materials requires in-depth Raman spectroscopic analysis of Gallium Nitride epitaxy materials. The experimental results show that the best scanning range is 100～1 000 cm-1， the best exposure time is 5 seconds， and the best optical hole diameter is 100 μm， so as to more accurately characterize Gallium Nitride epitaxial materials， and thus promote the performance of microwave power devices.

Key words： third generation semiconductor materials; Gallium Nitride; Raman spectroscopy