共聚焦拉曼光譜表征藍(lán)寶石襯底GaN外延層的界面應(yīng)力

Interfacial stress characterization of GaN epitaxial layer with sapphire substrate by confocal Raman spectroscopy

本文亮點(diǎn)

不同的襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)的GaN薄膜，通常在界面處存在一定的界面應(yīng)力，論文通過表征和計(jì)算拉曼峰位頻移，獲得了GaN異質(zhì)外延的界面應(yīng)力。

共聚焦拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無接觸、無損的檢測(cè)樣品，論文結(jié)果表明，共聚焦拉曼光譜能有效分析樣品的界面應(yīng)力。

論文比較了不同波長(zhǎng)激光光源、不同聚焦深度下n型、未摻雜和p型GaN樣品的拉曼光譜的應(yīng)力表征結(jié)果。

關(guān)鍵詞

共聚焦拉曼光譜

氮化鎵

異質(zhì)外延生長(zhǎng)

界面應(yīng)力

研究背景

氮化鎵（GaN）作為第三代半導(dǎo)體材料具有高的擊穿電場(chǎng)，大的禁帶寬度，同時(shí)有高的熱導(dǎo)率、高的電子漂移速率，高的電子飽和速率、強(qiáng)的抗輻射能力，在大功率、高溫、高頻、抗輻射的微電子領(lǐng)域，以及短波長(zhǎng)光電子領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)良好的應(yīng)用。GaN晶體薄膜外延生長(zhǎng)有同質(zhì)外延生長(zhǎng)和異質(zhì)外延生長(zhǎng)兩種，目前仍以異質(zhì)外延生長(zhǎng)為主，異質(zhì)襯底的晶格失配和熱應(yīng)力失配是GaN異質(zhì)外延生長(zhǎng)的主要難題，因此界面缺陷檢測(cè)、應(yīng)力分析和新型緩沖層設(shè)置等是制備新型半導(dǎo)體高質(zhì)量襯底材料的關(guān)鍵。共焦顯微技術(shù)與拉曼光譜儀組合的共聚焦拉曼光譜儀，大大提高了儀器的深度分辨率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無損無接觸快速檢測(cè)。本文通過共聚焦拉曼光譜儀從深度上表征了藍(lán)寶石襯底的n型、未摻雜和p型GaN樣品，并通過后期對(duì)拉曼光譜的處理和分析及計(jì)算得出了樣品的界面應(yīng)力。

圖文導(dǎo)讀

01

part

共聚焦拉曼光譜儀深度逐層分析

本文中實(shí)驗(yàn)在室溫下使用兩臺(tái)共聚焦拉曼光譜儀完成，**臺(tái)是HORIBA iHR550光譜儀、SmartRaman顯微共焦模塊，焦距為550 mm；**臺(tái)是HORIBA XploRA PLUS光譜儀，焦距為250 mm。不同波長(zhǎng)的激光器具有不同的激發(fā)效率，因此選擇不同的功率可以保證不同波長(zhǎng)激光器的拉曼散射強(qiáng)度在不損傷樣品的情況下獲得清晰的光譜，同時(shí)避免拉曼光譜表征過程中的光碳化現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)過程中，通過控制XYZ位移臺(tái)中的Z軸來改變聚焦深度，如圖1所示，通過改變聚焦深度的方式實(shí)現(xiàn)GaN樣品的逐層分析。

02

part

GaN共聚焦拉曼光譜表征與分析

對(duì)于釬鋅礦結(jié)構(gòu)GaN, 由群論理論預(yù)測(cè)在 Γ點(diǎn)的聲子模有8組，分別為2A1+2B1+2E1+2E2。在這些模中，A1和E1模都有一組聲學(xué)模，而其余6組模(A1+B1+2E1+2E2)是光學(xué)模，具有拉曼活性的模共有6種，為2A1+2E1+E2L+E2H。六方結(jié)構(gòu)沿[0001]方向的聲子色散近似立方結(jié)構(gòu)沿[111]方向的聲子色散的折疊。這種折疊將立方結(jié)構(gòu)中布里淵區(qū)L點(diǎn)處的橫向光學(xué)聲子模減少為六方結(jié)構(gòu)中布里淵區(qū)Γ點(diǎn)處的E2模。該聲子模在圖2中表示為E2H，其中上標(biāo)H表示E2聲子模的高頻分支，另一種較低頻率的E2聲子模表示為E2L。在六方結(jié)構(gòu)中，極性聲子在宏觀電場(chǎng)中誘發(fā)各向異性。E1和E2模的原子位移垂直于c軸，其他模的原子位移沿c軸。E2H模的原子位移由N原子完成，如圖2紅色框中所示。

一、藍(lán)寶石襯底信號(hào)強(qiáng)度分析

首先使用532 nm激光聚焦樣品表面對(duì)樣品A、B、C進(jìn)行單點(diǎn)拉曼測(cè)試，三種樣品的拉曼光譜如圖3所示，418.06 cm-1處藍(lán)寶石的拉曼特征峰的峰值分別為771.17、687.45、330.12。樣品A厚度*厚，樣品C厚度*薄。樣品A厚度*厚有*強(qiáng)的藍(lán)寶石襯底信號(hào)，樣品C厚度*薄有*弱的藍(lán)寶石襯底信號(hào)。從圖3可以清楚地看出，p型GaN在E2H模的左側(cè)存在一個(gè)額外的峰，由于Mg離子摻雜在p型GaN中，增加了樣品中缺陷的數(shù)量，增強(qiáng)了位錯(cuò)。

二、氮化鎵和藍(lán)寶石信號(hào)的深度分析

利用532 nm激光對(duì)三種GaN樣品進(jìn)行了氮化鎵和藍(lán)寶石信號(hào)的深度分析,如圖4所示。圖4(a)顯示了三個(gè)樣品中A1g(S)的聲子線強(qiáng)度隨聚焦深度的變化。隨著聚焦深度從內(nèi)部向樣品表面移動(dòng)，藍(lán)寶石聲子線強(qiáng)度逐漸降低。

圖4(b)顯示了n型GaN表面和?15 μm深度處的拉曼光譜結(jié)果, 聚焦在?15 μm深度時(shí)，藍(lán)寶石聲子模A1g(S)峰的拉曼強(qiáng)度明顯超過GaN的E2H模。聚焦在樣品表面時(shí)，E2H模是主要的拉曼信號(hào)，藍(lán)寶石信號(hào)較弱。

在532 nm波長(zhǎng)激光、0.5 μm步長(zhǎng)下，對(duì)n型GaN進(jìn)行深度逐層表征。如圖4(c)所示，隨著聚焦深度從樣品內(nèi)部向表面移動(dòng)，A1g(S)和Eg(S)信號(hào)逐漸減小，而GaN的E2H模信號(hào)逐漸增大。不同層的深度剖面表明，HORIBA iHR550光譜儀在深度(Z)方向有良好的分辨率。

三、GaN共焦拉曼深度分析與界面應(yīng)力計(jì)算

拉曼光譜的頻移對(duì)樣品所受應(yīng)力很敏感，一般當(dāng)樣品內(nèi)部有壓應(yīng)力時(shí)，分子的鍵長(zhǎng)會(huì)減小，力常數(shù)會(huì)增大，振動(dòng)頻率增加并將拉曼光譜向右移動(dòng)，波數(shù)增加(散射過程中更多的非彈性能量損失)；相反，當(dāng)樣品內(nèi)部存在張應(yīng)力時(shí)，拉曼光譜向左移動(dòng)，波數(shù)減少。因此，拉曼光譜的特征峰的頻移可以有效地表征樣品的應(yīng)力。

其中，Δω為頻移，σ為應(yīng)力，Κ為應(yīng)力系數(shù)。根據(jù)之前的研究，標(biāo)準(zhǔn)GaN單晶的E2H模的位置為568 cm-1，生長(zhǎng)在c向藍(lán)寶石上的GaN的應(yīng)力系數(shù)為2.56。所以

用拉曼光譜儀從-15 μm到15 μm的聚焦深度對(duì)三種氮化鎵樣品進(jìn)行了表征，分別用405、532 nm波長(zhǎng)激光。根據(jù)上述計(jì)算方法擬合并進(jìn)一步分析了E2H模在不同焦深下的拉曼光譜。得到E2H模的峰值擬合結(jié)果、頻率偏移并計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力值，界面應(yīng)力值的深度分布如圖5所示。所有樣品都顯示出向光譜紅端的頻移，受壓應(yīng)力，這與藍(lán)寶石襯底GaN受壓應(yīng)力的結(jié)論一致。
當(dāng)激光聚焦在樣品表面時(shí)，外延層主要特征峰的強(qiáng)度應(yīng)該是*強(qiáng)的。E2H模的頻移和應(yīng)力在示界面層周圍變化明顯，其中對(duì)于405和532 nm波長(zhǎng)激光，*大界面應(yīng)力值均出現(xiàn)在樣品表面以下幾微米處。在100℃以下，氮化鎵的導(dǎo)熱系數(shù)是藍(lán)寶石的四倍。藍(lán)寶石層和氮化鎵層之間存在很大的晶格失配和熱失配，盡管25 nm厚的氮化鋁薄層在一定程度上減輕了失配。在氮化鎵外延層的生長(zhǎng)過程中，仍會(huì)產(chǎn)生界面應(yīng)力。如圖5所示，大的應(yīng)力出現(xiàn)在藍(lán)寶石與GaN之間的界面處，并一直延伸到樣品的表面。隨著焦點(diǎn)向樣品表面移動(dòng)，應(yīng)力逐漸下降，這主要是因?yàn)榈墭悠返耐庋訉虞^高的晶格質(zhì)量。

與使用532 nm波長(zhǎng)激光的結(jié)果相比，使用405 nm波長(zhǎng)激光的表征在界面應(yīng)力的*大值和*小值之間產(chǎn)生更大的差異。532 nm波長(zhǎng)激光拉曼光譜表征的應(yīng)力結(jié)果在深度剖析過程中表現(xiàn)出更平滑的轉(zhuǎn)變，這兩個(gè)結(jié)果之間的差異主要是由于激光的穿透深度不同。

532 nm波長(zhǎng)激光拉曼光譜的應(yīng)力表征結(jié)果可以有序排列為:未摻雜GaN>n型GaN>p型GaN。三種樣品中，p型GaN的外延層*薄。然而，當(dāng)用405納米激光表征時(shí)，發(fā)現(xiàn)n型GaN具有*小的應(yīng)力值。因?yàn)榧す獠ㄩL(zhǎng)影響消光(吸收)系數(shù)和拉曼散射效率，所以當(dāng)使用405 nm波長(zhǎng)激光時(shí)，n型氮化鎵和其他兩種樣品之間可能存在顯著差異。此外，405 nm波長(zhǎng)激光對(duì)氮化鎵的穿透深度為2.86微米(表1)，小于n型GaN的厚度。這可能會(huì)影響表征的準(zhǔn)確性，盡管由于折射率的影響，實(shí)際穿透深度可以大于2.86 μm。

為確定n型氮化鎵應(yīng)力差異的原因，使用HORIBA XploRA PLUS光譜儀的638 nm波長(zhǎng)激光器進(jìn)行了共焦拉曼深度表征。如圖6，為計(jì)算的界面應(yīng)力值的深度分布。由638 nm波長(zhǎng)激光拉曼光譜表征的應(yīng)力值也是未摻雜GaN>n型GaN>p型GaN。三個(gè)樣品的量值關(guān)系和趨勢(shì)在不同波長(zhǎng)激光光源下是相同的。這說明當(dāng)使用405 nm波長(zhǎng)激光時(shí)，小于樣品厚度的穿透深度可能降低n型GaN的界面應(yīng)力測(cè)量的精度。