基于寬禁帶半導體材料氮化鎵的原子力顯微鏡分析

基金項目：國家重點研發計劃；項目編號：2022YFB3404304。

作者簡介：王亞偉（1988—），男，工程師，碩士；研究方向：半導體材料外延及表征。

摘要：微波功率器件在無線通信技術領域扮演著重要角色，而寬禁帶半導體材料對微波功率器件的研究起著關鍵作用。氮化鎵作為寬禁帶半導體的代表，具有介電常數小、載流子飽和速率高、熱導率高等優良特性。文章通過對氮化鎵外延材料進行深入的原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope，AFM）分析，能夠更精準地表征氮化鎵外延材料，從而助力微波功率器件的發展。

關鍵詞：氮化鎵；原子力顯微鏡；表面形貌

中圖分類號：TN3文獻標志碼：A

0引言

近年來，隨著氮化鎵外延材料的高速發展，如何更精準地研究氮化鎵外延材料的性質顯得日益重要。原子力顯微鏡作為第三代顯微鏡的代表，能夠統籌測量和分析樣品的表面形貌和表面微結構等相關信息［1］。在氮化鎵器件研究過程中發現，氮化鎵外延材料、表面材料及其缺陷都會對器件的性能產生影響，在此情況下，通過原子力顯微鏡對氮化鎵外延材料的表面形貌進行全面分析顯得尤為重要［2］。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［3］，可以解決以下2類問題。其一是光特性方面的問題，第三代半導體材料是制作冷光源照明和藍光發光二極管的優質材料［4］；其二是電特性方面的問題，第三代半導體材料也是制作高功率器件和高頻器件的重要材料［5-6］。20世紀90年代，科學家使用金屬有機化合物氣相外延制作出第一支氮化鎵藍光發光二極管，從此半導體領域的研究熱點轉為氮化鎵外延材料和器件。第一支氮化鎵高電子遷移率晶體管誕生于20世紀90年代初，是由美國某光學公司的人員完成［7］。在21世紀伊始，耶魯大學和加州大學聯合證明氮化鎵材料能夠在功率開關器件領域得到廣泛應用。該研究成果意義非凡，同時使得氮化鎵基功率器件成為半導體領域的研究熱點，并且到如今還在不斷涌現新的成果。

科研工作者需要從提高寬禁帶半導體材料氮化鎵及相關器件的性能著手，促進氮化鎵外延材料生長工藝的提升，更為精準地表征氮化鎵外延材料，推動微波功率器件的發展。

1實驗方法

本研究利用原子力顯微鏡研究氮化鎵外延材料的表面形貌和表面的缺陷，原子顯微鏡依據原子和原子間的相互作用力，借助一個對力感知十分敏銳的微懸臂實現對樣品表面成像，即通過針尖與樣品表面之間發生相互作用來完成。利用原子力顯微鏡對氮化鎵外延材料進行表面形貌分析，通過分析掃描范圍、掃描速率及對比度等測試參數的意義，改變相關測試參數，分析測試參數對表面形貌表征的影響。

2結果與分析

21AFM掃描范圍對氮化鎵外延材料表征的影響

在氮化鎵外延材料的原子力顯微鏡分析方面，通過改變AFM掃描范圍，分析氮化鎵外延材料表面的形貌變化。AFM掃描范圍指原子力探針在樣品表面掃過的區域面積，單位是μm2。

通過改變掃描范圍可以看出：掃描范圍1μm×1μm表面形貌與掃描范圍2μm×2μm表面形貌相比，后者幾乎涵蓋了前者所有形貌并能夠清晰展示，所以最小掃描范圍可定為2μm×2μm。將AFM掃描范圍為5μm×5μm、10μm×10μm掃描結果作對比發現，僅AFM掃描范圍為5μm×5μm的掃描圖像能夠清晰完整地展示氮化鎵外延材料表面形貌。另外，AFM掃描范圍為10μm×10μm的掃描圖像中出現模糊的表面圖像，無法清晰展示氮化鎵外延材料表面形貌。

22AFM掃描速率對氮化鎵外延材料表征的影響

通過改變AFM掃描速率，分析氮化鎵外延材料表面形貌變化。原子力顯微鏡的掃描速率（掃描頻率）指單線掃描的頻率，單位是Hz。當掃描頻率為1Hz時，單線掃描時間為1s，因為實驗所用原子力顯微鏡默認線掃描次數為256次，所以與之對應的掃描時長為256s，即4min16s。同理，當掃描頻率設為05Hz時，單線掃描時長為2s，總掃描時長為512s。設定原子力顯微鏡測試參數，將掃描范圍設為2μm×2μm，掃描速度分別設定為05Hz、1Hz、2Hz，原子力顯微鏡掃描結果如圖1—3所示。

將圖1與圖2作對比可以看出，當掃描速率為05Hz和1Hz時，氮化鎵外延材料表面形貌的粗糙度均為0115nm，并且掃描圖像清晰度基本一致。然而，掃描速率為05Hz時耗費掃描時長為8min32s，是掃描速率為1Hz的掃描時長的一倍。因此，采用1Hz掃描速率對氮化鎵外延材料表面進行AFM分析將節省一半時間并且得到的表面形貌清晰度一致。掃描速率為2Hz時，氮化鎵外延材料表面形貌的粗糙度為0120nm。通過掃描速率為1Hz、2Hz的表面形貌可以看出，當掃描速率升高時，掃描圖像的粗糙度也隨之增大，表面形貌的清晰度也逐漸變差，這是由于掃描速率過快而產生的掃描圖像失真。因此，通過對比圖2、圖3可以看出，原子力顯微鏡掃描速率1Hz時，氮化鎵外延材料表面形貌清晰不失真。

23AFM對比度對氮化鎵外延材料表征的影響

通過改變AFM對比度，分析氮化鎵外延材料表面形貌變化。原子力顯微鏡的對比度是指掃描圖像的色彩對比強烈程度，即AFM掃描圖像中能顯示最大落差范圍，以nm為單位。設定原子力顯微鏡測試參數，將對比度分別設定為3nm、6nm、9nm，掃描范圍設定為2μm×2μm，掃描速率設定為1Hz，原子力顯微鏡掃描結果如圖4—6所示。

將圖4與圖5作對比可以看出，AFM對比度為3nm的掃描圖像中明顯出現一條明暗分界線，這是由環境干擾造成的。對比度為3nm的掃描圖像中臺階邊緣毛刺非常明顯并且有些失真，缺陷點表征過于強烈，這是由對比度太強導致的。因此，與對比度為3nm的表面形貌對比，對比度為6nm的表面形貌更為柔和真實。將圖5與圖6作對比，對比度為9nm的掃描圖像中，顏色趨于一致，很難分辨出氮化鎵外延材料的表面臺階。當AFM對比度設定為6nm時，氮化鎵外延材料表面形貌清晰真切。該設定非常適合對氮化鎵外延材料進行AFM分析。

3結語

對氮化鎵外延材料進行原子力顯微鏡分析，能夠更精準地表征氮化鎵外延材料，促進氮化鎵外延材料生長工藝的提升，從而提高氮化鎵外延材料及相關器件的性能。根據改變原子力顯微鏡掃描范圍、掃描速率、對比度3個條件進行具體實驗，對比分析得出如下結論。當選用2μm×2μm和5μm×5μm2種掃描范圍表征效果最佳、并且真實可靠。當AFM對比度設定為6nm時，氮化鎵外延材料表面形貌清晰真切。當AFM掃描速率設定為1Hz時，氮化鎵外延材料表面形貌清晰且掃描時長短，從而得到高效精準的表征效果。該設定非常適合對氮化鎵外延材料進行AFM分析。當原子力顯微鏡對比度設定為6nm時，氮化鎵外延材料表面形貌清晰真切。該設定非常適合對氮化鎵外延材料進行原子力顯微鏡分析。

參考文獻

［1］施羅德.半導體材料與器件表征技術［M］.大連理工大學半導體研究室，譯.大連：大連理工大學出版社，2008.

［2］白海會.原子力顯微鏡技術及其在分子結構形態學方面的應用研究［D］.重慶：重慶大學，2006.

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

［4］陳欣，鄭菲，董璐，等.氮化鎵半導體材料發展現狀［J］.高科技與產業化，2016（2）：90-94.

［5］梁春廣，張翼.GaN——第三代半導體的曙光［J］.半導體學報，1999（2）：89-99.

［6］聶玉虎.GaN材料應變沿表面法線分布信息的XRD測量方法研究［D］.西安：西安電子科技大學，2014.

［7］王凱.AlGaN/GaNHEMT結構MOCVD生長及其對器件影響研究［D］.北京：北京工業大學，2016.

（編輯王雪芬）