拉曼光譜在第三代半導體材料測試領域的應用

付丙磊，張爭光，王志越

(中電科電子裝備集團有限公司，北京 100070)

GaN是第三代半導體材料的重要代表，是固態光源和電力電子、微波射頻器件的"核芯"，大量應用于航空、航天等重要領域，在半導體照明、新一代移動通信、智能電網、新能源汽車等民品領域市場前景廣闊，是關乎國防安全和國民經濟的戰略性先進電子材料。應力、有源區結溫等性質對GaN器件性能具有相當重要的影響，如何對其進行精確、無損、便捷的檢測成為科研及工業界亟需解決的重要問題。拉曼光譜是利用光與物質的相互作用來進行材料分析的手段，具有非接觸、無損等特點，可以得到材料應力、晶體組分、器件結溫、自由載流子濃度等第三代半導體材料、器件的重要信息，在第三代半導體測試領域具有很好的應用前景。

本文綜述了第三代半導體GaN材料體系的拉曼光譜性質，并對其在第三代半導體無損檢測領域的應用前景進行了展望。

1 第三代半導體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（聲子）是拉曼光譜的主要研究對象。當用一定頻率的激發光照射晶體時，入射光與晶體中的聲子等元激發發生非彈性散射（散射光的頻率與激發光的頻率不等的散射），散射光性質與晶體中聲子等元激發密切相關，通過對散射光頻率、強度等性質的分析，可以得到晶體應力、晶體質量、組分、結溫、自由載流子濃度等方面的信息。

只有一個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，我們關心的主要是一階拉曼散射，該類聲子主要來自布里淵區的中心。

聲子種類與晶體結構密切相關。GaN晶體結構主要有兩種：立方對稱的閃鋅礦結構以及六方對稱的纖鋅礦結構，如圖1所示[1]。其中纖鋅礦結構是熱力學穩定相，閃鋅礦結構是亞穩定相。六方纖鋅礦結構屬于C46v空間群，單胞中有四個原子。根據群論分析，六方纖鋅礦結構晶體中布里淵區中心聲子共 8種[2]：2個 A1聲子、2個E1聲子、2個B1聲子以及2個E2聲子，其中可以參與拉曼散射的是1個A1聲子、1個E1聲子以及2個E2聲子，具體參與實際拉曼散射過程的聲子與測量時的光學幾何配置有關。（cm-3）E2（high）EH2

圖1 GaN晶體結構：

在拉曼光譜測量中，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。當入射光入射（0001）表面時，只有 E2聲子及 A1（LO）聲子從幾何對稱角度是允許的，具體測到的峰還要參考入射光與散射光的偏振情況。當入射光與散射光偏振平行時，E2峰及A1（LO）峰都可以測到；到入射光與散射光偏振垂直時，只能測到E2峰。測量幾何配置與對應聲子的情況如表1所示。

表1 六方氮化物拉曼測量幾何配置及對應的聲子模式

圖2 六方氮化物拉曼測量幾何配置及對應的聲子模式[3]

2 拉曼光譜在GaN材料測試領域中的應用

2.1 應力表征

由于第三代半導體GaN材料異質外延的特性，晶格失配及熱失配在材料生長和器件制備的過程中均會引入應力，進而導致材料缺陷以及器件性能的變化，對應力狀態的測試和表征，對器件結構的設計和工藝參數的優化都有重要意義。當材料中存在應力時，材料的晶格會發生形變，因而晶格的振動頻率會發生改變，進而導致拉曼散射峰位的變化，晶格拉曼散射對材料應力非常敏感，是測量材料應力的一種有力手段。

2.2 晶體組分及質量表征

在實際的器件應用中，GaN材料經常需要與InxGa1-xN、AlxGa1-xN等三元合金材料構成異質結。對InxGa1-xN、AlxGa1-xN等合金材料的組分精確測量與控制是器件工藝的重要目標之一。

圖3 GaN中Mg摻雜對拉曼峰位及半峰寬的影響[5]

理論計算和實驗觀察均表明，對于InxGa1-xN、AlxGa1-xN 三元合金材料來說，A1（LO）聲子模均表現出單模式特性，即隨著組分變化，聲子頻率隨組分x的變化連續、近乎線性的變化。對于無應力的，馳豫的材料來說，對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 AlxGa1-xN 材料[3]，ω0（x）=746+169.5x+11.7x2-36.6x3。在上述公式的基礎上，綜合考慮材料應力情況，可以由相應的峰位數據進一步得到InxGa1-xN、AlxGa1-xN的組分值。

如上所述，拉曼光譜與晶體質量也有一定關系。主要是利用GaN的峰，隨著晶體中缺陷的增加，聲子-缺陷散射、應力的變化等因素均會導致半峰寬的增大，從而定性的表征晶體質量[7]。

2.3 溫度表征

GaN等第三代半導體材料由于其良好的熱學性質，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域得到了廣泛應用。器件工作狀態的結溫直接關系到元器件的壽命和性能，因而器件的熱性能測試對于其生產和應用都有十分重要的意義。拉曼光譜作為一種非接觸、無損的測量方式，已經被成功的應用于Si、Ge、金剛石、GaAs以及GaN等材料溫度的測量[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移動。Ming S.Liu等人提出了GaN中拉曼光譜的峰位隨溫度變化的經驗公式[8]：ω（T）為溫度0 K時的拉曼聲子頻率，?為約化普朗克常數、kB為玻爾茲曼常數，A、B為擬合參數。

通過實驗數據擬合可以得到各參數的值，可用于GaN器件結溫的計算。對于藍寶石襯底上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。該方法已經被成功應用于高功率倒裝GaN基LED芯片結溫的分析[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體材料及器件的電學性能直接相關，在極性半導體材料中，LO聲子與自由載流子等離子體在宏觀電場的作用下會發生很強的耦合作用，產生一對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致的光學極化作用。耦合模的頻率與自由載流子的濃度直接相關，可以用來分析GaN材料中的n型載流子濃度。當GaN中載流子濃度增大時，耦合模L+向高頻側移動，同時伴隨著峰強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，A(ω)與形變勢等因素有關，具體的公式可見文獻[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∞為光學介電函數（5.35），Γ是聲子阻尼常數，γ是等離子體阻尼常數，ωp為等離子體頻率。ωp可以由以下公式得到（電子有效質量）。n為自由載流子濃度。

對于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定材料的電學性質非常困難，需要利用其它的方法?？昭舛纫环矫婵梢詮腜型GaN拉曼光譜低頻區域的連續帶強度得到，另一方面也可以根據657 cm-1處激活Mg受主的局域振動模強度得到[3]。

3 結束語

綜上所述，GaN拉曼光譜測試的理論框架已經基本清晰，在材料應力、晶體組分、器件溫度、自由載流子濃度的測試領域也積累了大量的實驗數據基礎，進一步結合顯微拉曼光譜等技術，可以達到很好的空間分辨率，以實現對器件不同位置物理性質的深入分析。拉曼光譜非接觸、無損的特點，使其在第三代半導體在位檢測、無損檢測領域具有很好的應用潛力。未來，一是需要進一步提高測量的可靠性、分辨率，盡可能消除熒光干擾；二是結合第三代半導體材料科學的最新進展，進一步明確InxGa1-xN、AlxGa1-xN等第三代半導體三元合金的拉曼光譜性質；三是進一步發展拉曼光譜的工程學應用，充分發揮其在第三代半導體材料及器件檢測中的作用。