第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵的拉曼光譜分析

摘要：第三代半導(dǎo)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(lǐng)域的首選材料。為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量氮化鎵材料的外延生長(zhǎng)，并且精準(zhǔn)表征氮化鎵外延材料的特性，文章對(duì)氮化鎵外延材料進(jìn)行了深入的拉曼光譜分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)氮化鎵外延材料進(jìn)行拉曼光譜分析時(shí)最佳掃描范圍是100～1 000 cm-1、最佳曝光時(shí)間是5 s、最佳光孔直徑為100 μm，從而更精準(zhǔn)地表征氮化鎵外延材料，進(jìn)而對(duì)微波功率器件的性能提升起到推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：第三代半導(dǎo)體材料；氮化鎵；拉曼光譜

中圖分類(lèi)號(hào)：TN304" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

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

在半導(dǎo)體材料進(jìn)行異質(zhì)外延時(shí)，有2種因素會(huì)導(dǎo)致外延層產(chǎn)生應(yīng)變。拉曼光譜測(cè)試儀就是利用這一原理進(jìn)行工作。這2種因素包括：襯底材料的膨脹系數(shù)與外延層的膨脹系數(shù)存在較大差異、襯底材料的晶格常數(shù)和外延材料的晶格常數(shù)存在較大差異。在半導(dǎo)體中引入殘余應(yīng)力，會(huì)使得半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)以及外延層的結(jié)構(gòu)性質(zhì)產(chǎn)生變化，當(dāng)應(yīng)力較大時(shí)還會(huì)引起外延層產(chǎn)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(xué)組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)等。峰位位移能夠顯示樣品的屬性分布，其中包括應(yīng)力和溫度。拉曼散射光譜在研究材料各項(xiàng)性能和晶格等方面起到很大作用，其優(yōu)勢(shì)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(dǎo)體中存在特殊的化學(xué)鍵，這種化學(xué)鍵屬于共價(jià)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(lái)進(jìn)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(dǎo)體材料氮化鎵的晶體質(zhì)量出發(fā)，對(duì)氮化鎵材料進(jìn)行深入詳盡的拉曼光譜分析。

1 實(shí)驗(yàn)方法

氮化鎵外延材料中產(chǎn)生殘余熱應(yīng)變，這是由襯底材料的膨脹系數(shù)與氮化鎵外延層的膨脹系數(shù)存在巨大差異造成的。在進(jìn)行拉曼光譜測(cè)試時(shí)，殘余熱應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致氮化鎵外延材料拉曼光譜的峰位發(fā)生變化［6］。因此，利用拉曼光譜測(cè)試儀對(duì)氮化鎵外延材料進(jìn)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(lái)表征氮化鎵外延材料受到的應(yīng)力情況，從而有助于優(yōu)化氮化鎵外延材料的生長(zhǎng)工藝。

本文利用拉曼光譜測(cè)試儀對(duì)氮化鎵外延材料進(jìn)行拉曼光譜分析。通過(guò)分析掃描范圍、曝光時(shí)間、拉曼光孔大小等測(cè)試參數(shù)的意義，并改變相關(guān)測(cè)試參數(shù)，分析測(cè)試參數(shù)對(duì)拉曼光譜的影響。使用拉曼光譜測(cè)試儀前，首先要對(duì)儀器參數(shù)進(jìn)行校正，即拉曼峰位校正。選擇指定光柵，通過(guò)掃描硅晶體，以其特征峰作為校正光柵的零點(diǎn)位置。校正后，對(duì)氮化鎵材料進(jìn)行拉曼光譜掃描。通過(guò)拉曼光譜測(cè)試儀模擬并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)洛倫茲和高斯的混合函數(shù)進(jìn)行擬合，進(jìn)而得出峰位和強(qiáng)度信息。

2 結(jié)果與分析

2.1 掃描范圍對(duì)氮化鎵外延材料拉曼光譜的影響

通過(guò)改變拉曼光譜測(cè)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(cè)試儀的掃描范圍是指：待測(cè)樣品單點(diǎn)測(cè)試時(shí)激光器掃描的光譜范圍，其單位是波束（cm-1）。掃描范圍的設(shè)置方法為：掃描范圍菜單中模式選擇為多窗口模式，F(xiàn)rom和To設(shè)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(shè)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(shè)置為：?jiǎn)吸c(diǎn)采譜，曝光時(shí)間為5 s，光孔直徑為100 μm，曝光次數(shù)為1次。

通過(guò)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(duì)比，后者幾乎涵蓋前者的所有峰位并能夠清晰地展示出來(lái)，所以?huà)呙璺秶蓵憾?～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(duì)比，由于氮化鎵特征峰峰位在566 cm-1左右，所以?huà)呙璺秶O(shè)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(nèi)的曲線(xiàn)反射強(qiáng)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(duì)氮化鎵外延材料進(jìn)行拉曼光譜分析時(shí)，最佳掃描范圍是100～1 000 cm-1，此時(shí)拉曼光譜清晰、準(zhǔn)確并且足夠全面。

2.2 曝光時(shí)間對(duì)氮化鎵外延材料拉曼光譜的影響

通過(guò)改變拉曼光譜測(cè)試儀的曝光時(shí)間，分析氮化鎵外延材料拉曼光譜變化。拉曼光譜測(cè)試儀的曝光時(shí)間是指：待測(cè)樣品單點(diǎn)測(cè)試時(shí)激光器的單次曝光的時(shí)長(zhǎng)，其單位是秒（s）。將曝光時(shí)間分別設(shè)定為5 s、10 s、20 s、30 s，使用50倍鏡頭。其他設(shè)置為：?jiǎn)吸c(diǎn)采譜，曝光數(shù)為1次，光孔直徑為100 μm，掃描范圍100～1 000 cm-1。該設(shè)置拉曼光譜測(cè)試儀掃描結(jié)果依次如圖1—4所示。

通過(guò)改變拉曼光譜測(cè)試儀的曝光時(shí)間可以看出，曝光時(shí)間越長(zhǎng)，拉曼峰的峰強(qiáng)越高。當(dāng)曝光時(shí)間為5 s時(shí)，從圖1中可以看出，氮化鎵特征峰清晰明顯，同時(shí)將曝光時(shí)間為10 s、20 s、30 s的拉曼光譜與將曝光時(shí)間為5 s的拉曼光譜對(duì)比可知，后者掃描總時(shí)間短并且掃描效率較高。綜上所述，對(duì)氮化鎵外延材料進(jìn)行拉曼光譜分析時(shí)的最佳曝光時(shí)間是5 s，此時(shí)拉曼光譜清晰、明顯并且掃描效率更高。

2.3 光孔直徑對(duì)氮化鎵外延材料拉曼光譜的影響

通過(guò)改變拉曼光譜測(cè)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(cè)試儀的光孔直徑是指：514 nm波長(zhǎng)的激光穿過(guò)光孔的直徑，其單位是微米（μm）。將光孔直徑分別設(shè)定為50 μm、100 μm、200 μm，使用50倍鏡頭。其他設(shè)置為：?jiǎn)吸c(diǎn)采譜，曝光數(shù)為1次，曝光時(shí)間為5 s，掃描范圍100～1 000 cm-1。該設(shè)置拉曼光譜測(cè)試儀掃描結(jié)果如圖5—6所示。

通過(guò)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(zhǔn)線(xiàn)波動(dòng)強(qiáng)烈，后者基準(zhǔn)線(xiàn)更為平緩、清晰、穩(wěn)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(xiàn)峰形更加強(qiáng)烈清晰。并且光孔直徑為50 μm的拉曼光譜沒(méi)有位于144 cm-1處的氮化鎵的E2（low）峰。因此，光孔直徑設(shè)置為100 μm比設(shè)置為50 μm更能夠全面清晰穩(wěn)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(qiáng)烈清晰，然而當(dāng)光孔直徑過(guò)于擴(kuò)大" 時(shí)，拉曼激光同時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射，不利于安全操作。相對(duì)而言，光孔直徑設(shè)置為100 μm更為可靠。綜上所述，對(duì)氮化鎵外延材料進(jìn)行拉曼光譜分析時(shí)最佳光孔直徑為100 μm，此時(shí)拉曼光譜清晰、穩(wěn)定并且測(cè)試安全可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)氮化鎵外延材料進(jìn)行深入的拉曼光譜分析，能夠更精準(zhǔn)地分析氮化鎵外延材料，從而對(duì)微波功率器件的性能提升起到重要作用。根據(jù)改變拉曼光譜測(cè)試儀的掃描范圍、曝光時(shí)間、光孔直徑等關(guān)鍵參量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析得出：對(duì)氮化鎵外延材料進(jìn)行拉曼光譜分析時(shí)的最佳掃描范圍是100～1 000 cm-1，此時(shí)拉曼光譜清晰、準(zhǔn)確并且足夠全面；最佳曝光時(shí)間是5 s，此時(shí)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(shí)拉曼光譜清晰、穩(wěn)定并且測(cè)試安全可靠。其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：?jiǎn)吸c(diǎn)采譜，曝光次數(shù)為1次。在該設(shè)置狀態(tài)下，研究人員能夠全面深入準(zhǔn)確地對(duì)氮化鎵外延材料進(jìn)行拉曼光譜分析，掃描結(jié)果最佳，且最適合氮化鎵外延材料的表征。

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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