共聚焦拉曼光譜表征藍寶石襯底GaN外延層的界面應力

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

本文亮點

不同的襯底上異質外延生長的GaN薄膜，通常在界面處存在一定的界面應力，論文通過表征和計算拉曼峰位頻移，獲得了GaN異質外延的界面應力。

共聚焦拉曼光譜檢測技術可以實現無接觸、無損的檢測樣品，論文結果表明，共聚焦拉曼光譜能有效分析樣品的界面應力。

論文比較了不同波長激光光源、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力表征結果。

關鍵詞

共聚焦拉曼光譜

氮化鎵

異質外延生長

界面應力

研究背景

氮化鎵（GaN）作為第三代半導體材料具有高的擊穿電場，大的禁帶寬度，同時有高的熱導率、高的電子漂移速率，高的電子飽和速率、強的抗輻射能力，在大功率、高溫、高頻、抗輻射的微電子領域，以及短波長光電子領域可以實現良好的應用。GaN晶體薄膜外延生長有同質外延生長和異質外延生長兩種，目前仍以異質外延生長為主，異質襯底的晶格失配和熱應力失配是GaN異質外延生長的主要難題，因此界面缺陷檢測、應力分析和新型緩沖層設置等是制備新型半導體高質量襯底材料的關鍵。共焦顯微技術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，同時實現無損無接觸快速檢測。本文通過共聚焦拉曼光譜儀從深度上表征了藍寶石襯底的n型、未摻雜和p型GaN樣品，并通過后期對拉曼光譜的處理和分析及計算得出了樣品的界面應力。

圖文導讀

01

part

共聚焦拉曼光譜儀深度逐層分析

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

實驗過程中，通過控制XYZ位移臺中的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現GaN樣品的逐層分析。

02

part

GaN共聚焦拉曼光譜表征與分析

對于釬鋅礦結構GaN, 由群論理論預測在 Γ點的聲子模有8組，分別為2A1+2B1+2E1+2E2。在這些模中，A1和E1模都有一組聲學模，而其余6組模(A1+B1+2E1+2E2)是光學模，具有拉曼活性的模共有6種，為2A1+2E1+E2L+E2H。六方結構沿[0001]方向的聲子色散近似立方結構沿[111]方向的聲子色散的折疊。這種折疊將立方結構中布里淵區L點處的橫向光學聲子模減少為六方結構中布里淵區Γ點處的E2模。該聲子模在圖2中表示為E2H，其中上標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。在六方結構中，極性聲子在宏觀電場中誘發各向異性。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、藍寶石襯底信號強度分析

首先使用532 nm激光聚焦樣品表面對樣品A、B、C進行單點拉曼測試，三種樣品的拉曼光譜如圖3所示，418.06 cm-1處藍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*強的藍寶石襯底信號，樣品C厚度*薄有*弱的藍寶石襯底信號。從圖3可以清楚地看出，p型GaN在E2H模的左側存在一個額外的峰，由于Mg離子摻雜在p型GaN中，增加了樣品中缺陷的數量，增強了位錯。

二、氮化鎵和藍寶石信號的深度分析

利用532 nm激光對三種GaN樣品進行了氮化鎵和藍寶石信號的深度分析,如圖4所示。圖4(a)顯示了三個樣品中A1g(S)的聲子線強度隨聚焦深度的變化。隨著聚焦深度從內部向樣品表面移動，藍寶石聲子線強度逐漸降低。

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

在532 nm波長激光、0.5 μm步長下，對n型GaN進行深度逐層表征。如圖4(c)所示，隨著聚焦深度從樣品內部向表面移動，A1g(S)和Eg(S)信號逐漸減小，而GaN的E2H模信號逐漸增大。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力計算

拉曼光譜的頻移對樣品所受應力很敏感，一般當樣品內部有壓應力時，分子的鍵長會減小，力常數會增大，振動頻率增加并將拉曼光譜向右移動，波數增加(散射過程中更多的非彈性能量損失)；相反，當樣品內部存在張應力時，拉曼光譜向左移動，波數減少。因此，拉曼光譜的特征峰的頻移可以有效地表征樣品的應力。

其中，Δω為頻移，σ為應力，Κ為應力系數。根據之前的研究，標準GaN單晶的E2H模的位置為568 cm-1，生長在c向藍寶石上的GaN的應力系數為2.56。所以

用拉曼光譜儀從-15 μm到15 μm的聚焦深度對三種氮化鎵樣品進行了表征，分別用405、532 nm波長激光。根據上述計算方法擬合并進一步分析了E2H模在不同焦深下的拉曼光譜。得到E2H模的峰值擬合結果、頻率偏移并計算出相應的應力值，界面應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，受壓應力，這與藍寶石襯底GaN受壓應力的結論一致。
當激光聚焦在樣品表面時，外延層主要特征峰的強度應該是*強的。E2H模的頻移和應力在示界面層周圍變化明顯，其中對于405和532 nm波長激光，*大界面應力值均出現在樣品表面以下幾微米處。在100℃以下，氮化鎵的導熱系數是藍寶石的四倍。藍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過程中，仍會產生界面應力。如圖5所示，大的應力出現在藍寶石與GaN之間的界面處，并一直延伸到樣品的表面。隨著焦點向樣品表面移動，應力逐漸下降，這主要是因為氮化鎵樣品的外延層較高的晶格質量。

與使用532 nm波長激光的結果相比，使用405 nm波長激光的表征在界面應力的*大值和*小值之間產生更大的差異。532 nm波長激光拉曼光譜表征的應力結果在深度剖析過程中表現出更平滑的轉變，這兩個結果之間的差異主要是由于激光的穿透深度不同。

532 nm波長激光拉曼光譜的應力表征結果可以有序排列為: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，當用405納米激光表征時，發現n型GaN具有*小的應力值。因為激光波長影響消光(吸收)系數和拉曼散射效率，所以當使用405 nm波長激光時，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波長激光對氮化鎵的穿透深度為2.86微米(表1)，小于n型GaN的厚度。這可能會影響表征的準確性，盡管由于折射率的影響，實際穿透深度可以大于2.86 μm。

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