天津大学NPE：共聚焦拉曼光谱表征蓝宝石衬底GaN外延层的界面应力 | 前沿用户报道

2021-04-28 06:07:44, 张增其 HORIBA科学仪器事业部

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共聚焦拉曼光谱表征蓝宝石衬底GaN外延层的界面应力

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

张增其，徐宗伟❉，宋莹，刘涛，董兵，刘嘉宇，王虹

Zengqi Zhang, Zongwei Xu*, Ying Song, Tao Liu, Bing Dong, Jiayu Liu, Hong Wang

天津大学

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本文亮点

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不同的衬底上异质外延生长的GaN薄膜，通常在界面处存在一定的界面应力，论文通过表征和计算拉曼峰位频移，获得了GaN异质外延的界面应力。
共聚焦拉曼光谱检测技术可以实现无接触、无损的检测样品，论文结果表明，共聚焦拉曼光谱能有效分析样品的界面应力。
论文比较了不同波长激光光源、不同聚焦深度下n型、未掺杂和p型GaN样品的拉曼光谱的应力表征结果。

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关键词

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共聚焦拉曼光谱
氮化镓
异质外延生长
界面应力

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研究背景

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氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料具有高的击穿电场，大的禁带宽度，同时有高的热导率、高的电子漂移速率，高的电子饱和速率、强的抗辐射能力，在大功率、高温、高频、抗辐射的微电子领域，以及短波长光电子领域可以实现良好的应用。GaN晶体薄膜外延生长有同质外延生长和异质外延生长两种，目前仍以异质外延生长为主，异质衬底的晶格失配和热应力失配是GaN异质外延生长的主要难题，因此界面缺陷检测、应力分析和新型缓冲层设置等是制备新型半导体高质量衬底材料的关键。共焦显微技术与拉曼光谱仪组合的共聚焦拉曼光谱仪，大大提高了仪器的深度分辨率，同时实现无损无接触快速检测。本文通过共聚焦拉曼光谱仪从深度上表征了蓝宝石衬底的n型、未掺杂和p型GaN样品，并通过后期对拉曼光谱的处理和分析及计算得出了样品的界面应力。

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图文导读

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共聚焦拉曼光谱仪深度逐层分析

本文中实验在室温下使用两台共聚焦拉曼光谱仪完成，第一台是HORIBA iHR550光谱仪、SmartRaman显微共焦模块，焦距为550 mm；第二台是HORIBA XploRA PLUS光谱仪，焦距为250 mm。不同波长的激光器具有不同的激发效率，因此选择不同的功率可以保证不同波长激光器的拉曼散射强度在不损伤样品的情况下获得清晰的光谱，同时避免拉曼光谱表征过程中的光碳化现象。

实验过程中，通过控制XYZ位移台中的Z轴来改变聚焦深度，如图1所示，通过改变聚焦深度的方式实现GaN样品的逐层分析。

图1 共聚焦拉曼光谱仪聚焦在GaN样品不同深度

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GaN共聚焦拉曼光谱表征与分析

对于钎锌矿结构GaN, 由群论理论预测在 Γ点的声子模有8组，分别为2A₁+2B₁+2E₁+2E₂。在这些模中，A₁和E₁模都有一组声学模，而其余6组模(A₁+B₁+2E₁+2E₂)是光学模，具有拉曼活性的模共有6种，为2A₁+2E₁+E₂^L+E₂^H。六方结构沿[0001]方向的声子色散近似立方结构沿[111]方向的声子色散的折叠。这种折叠将立方结构中布里渊区L点处的横向光学声子模减少为六方结构中布里渊区Γ点处的E₂模。该声子模在图2中表示为E₂^H，其中上标H表示E₂声子模的高频分支，另一种较低频率的E₂声子模表示为E₂^L。在六方结构中，极性声子在宏观电场中诱发各向异性。E₁和E₂模的原子位移垂直于c轴，其他模的原子位移沿c轴。E₂^H模的原子位移由N原子完成，如图2红色框中所示。

图 2 钎锌矿GaN中的光学声子模

一、蓝宝石衬底信号强度分析

首先使用532 nm激光聚焦样品表面对样品A、B、C进行单点拉曼测试，三种样品的拉曼光谱如图3所示，418.06 cm-1处蓝宝石的拉曼特征峰的峰值分别为771.17、687.45、330.12。样品A厚度最厚，样品C厚度最薄。样品A厚度最厚有最强的蓝宝石衬底信号，样品C厚度最薄有最弱的蓝宝石衬底信号。从图3可以清楚地看出，p型GaN在E₂^H模的左侧存在一个额外的峰，由于Mg离子掺杂在p型GaN中，增加了样品中缺陷的数量，增强了位错。

图3 GaN表面单点测试拉曼光谱（HORIBA iHR550光谱仪，532 nm波长激光）

二、氮化镓和蓝宝石信号的深度分析

利用532 nm激光对三种GaN样品进行了氮化镓和蓝宝石信号的深度分析,如图4所示。图4(a)显示了三个样品中A_1g(S)的声子线强度随聚焦深度的变化。随着聚焦深度从内部向样品表面移动，蓝宝石声子线强度逐渐降低。

图4(b)显示了n型GaN表面和−15 μm深度处的拉曼光谱结果, 聚焦在−15 μm深度时，蓝宝石声子模A_1g(S)峰的拉曼强度明显超过GaN的E₂^H模。聚焦在样品表面时，E₂^H模是主要的拉曼信号，蓝宝石信号较弱。

在532 nm波长激光、0.5 μm步长下，对n型GaN进行深度逐层表征。如图4(c)所示，随着聚焦深度从样品内部向表面移动，A_1g(S)和E_g(S)信号逐渐减小，而GaN的E₂^H模信号逐渐增大。不同层的深度剖面表明，HORIBA iHR550光谱仪在深度(Z)方向有良好的分辨率。

图4 GaN样品深度分析：（a）GaN蓝宝石衬底A_1g(S)模拉曼峰强度与聚焦深度曲线；（b）n型GaN聚焦样品表面与-15 μm深度拉曼光谱对比；（c）n型GaN的拉曼光谱。

三、GaN共焦拉曼深度分析与界面应力计算

不同波长的激光器有不同的穿透深度,通过式（1）利用吸收系数可以计算出渗透深度：

其中，dp为渗透深度，α为吸收系数。通过式（2）可以得到吸收系数：

其中，κ是消光系数，λ是激光器的波长。因此，穿透深度与消光系数之间的关系为：

根据消光系数及式（1）-（3）计算出GaN在405、532和638 nm波长激光下的吸收系数和渗透深度，如表1所示：

表1 GaN在405、532和638 nm波长激光下的消光系数、吸收系数和穿透深度

Laser wavelength λ/nm	Extinction coefficient k	Absorption coefficient α	Penetration depth /μm
405	1.30E-02	4.02E-04	2.68
532	3.25E-03	7.68E-05	14.98
638	1.38E-03	2.72E-05	42.30

拉曼光谱的频移对样品所受应力很敏感，一般当样品内部有压应力时，分子的键长会减小，力常数会增大，振动频率增加并将拉曼光谱向右移动，波数增加(散射过程中更多的非弹性能量损失)；相反，当样品内部存在张应力时，拉曼光谱向左移动，波数减少。因此，拉曼光谱的特征峰的频移可以有效地表征样品的应力。

频移与材料中的应力成线性关系，不同深度的应力可根据频率偏移用式（4）计算

其中，Δω为频移，σ为应力，Κ为应力系数。根据之前的研究，标准GaN单晶的E₂^H模的位置为568 cm-1，生长在c向蓝宝石上的GaN的应力系数为2.56。所以

用拉曼光谱仪从-15 μm到15 μm的聚焦深度对三种氮化镓样品进行了表征，分别用405、532 nm波长激光。根据上述计算方法拟合并进一步分析了E₂^H模在不同焦深下的拉曼光谱。得到E₂^H模的峰值拟合结果、频率偏移并计算出相应的应力值，界面应力值的深度分布如图5所示。所有样品都显示出向光谱红端的频移，受压应力，这与蓝宝石衬底GaN受压应力的结论一致。

当激光聚焦在样品表面时，外延层主要特征峰的强度应该是最强的。E₂^H模的频移和应力在示界面层周围变化明显，其中对于405和532 nm波长激光，最大界面应力值均出现在样品表面以下几微米处。在100℃以下，氮化镓的导热系数是蓝宝石的四倍。蓝宝石层和氮化镓层之间存在很大的晶格失配和热失配，尽管25 nm厚的氮化铝薄层在一定程度上减轻了失配。在氮化镓外延层的生长过程中，仍会产生界面应力。如图5所示，大的应力出现在蓝宝石与GaN之间的界面处，并一直延伸到样品的表面。随着焦点向样品表面移动，应力逐渐下降，这主要是因为氮化镓样品的外延层较高的晶格质量。

图5 GaN样品在405、532 nm激光波长下界面应力值的深度分布（红色三角形代表氮化镓E₂^H模的峰强最强位置）

与使用532 nm波长激光的结果相比，使用405 nm波长激光的表征在界面应力的最大值和最小值之间产生更大的差异。532 nm波长激光拉曼光谱表征的应力结果在深度剖析过程中表现出更平滑的转变，这两个结果之间的差异主要是由于激光的穿透深度不同。

532 nm波长激光拉曼光谱的应力表征结果可以有序排列为:未掺杂GaN>n型GaN>p型GaN。三种样品中，p型GaN的外延层最薄。然而，当用405纳米激光表征时，发现n型GaN具有最小的应力值。因为激光波长影响消光(吸收)系数和拉曼散射效率，所以当使用405 nm波长激光时，n型氮化镓和其他两种样品之间可能存在显著差异。此外，405 nm波长激光对氮化镓的穿透深度为2.86微米(表1)，小于n型GaN的厚度。这可能会影响表征的准确性，尽管由于折射率的影响，实际穿透深度可以大于2.86 μm。

为确定n型氮化镓应力差异的原因，使用HORIBA XploRA PLUS光谱仪的638 nm波长激光器进行了共焦拉曼深度表征。如图6，为计算的界面应力值的深度分布。由638 nm波长激光拉曼光谱表征的应力值也是未掺杂GaN>n型GaN>p型GaN。三个样品的量值关系和趋势在不同波长激光光源下是相同的。这说明当使用405 nm波长激光时，小于样品厚度的穿透深度可能降低n型GaN的界面应力测量的精度。

Fig 6 GaN样品在638 nm激光波长下界面应力值的深度分布

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作者简介

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徐宗伟，天津大学英才副教授，博导

邮箱：zongweixu@tju.edu.cn

主要研究领域：

新型宽禁带半导体器件制造基础研究、超快能量束（离子、fs激光）加工技术、拉曼及荧光光谱表征研究、离子束微纳加工机理、微刀具制备及纳米切削技术。

文章链接：

http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/10.0003818

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