隨著半導(dǎo)體器件向高溫、高頻、高功率方向發(fā)展，氮化鋁（AlN）等寬禁帶半導(dǎo)體材料的外延質(zhì)量至關(guān)重要。薄膜的厚度、界面粗糙度、光學(xué)常數(shù)及帶隙溫度依賴性直接影響器件性能。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

本文基于光譜橢偏技術(shù)，結(jié)合X射線衍射、拉曼光譜等方法，系統(tǒng)研究了c面藍(lán)寶石襯底上生長的不同厚度AlN外延薄膜的結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)，重點(diǎn)通過高溫變溫橢偏分析，揭示了薄膜厚度對晶體質(zhì)量、帶隙熱穩(wěn)定性及應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)控機(jī)制。

1

實(shí)驗(yàn)與方法

flexfilm

橢偏儀測試系統(tǒng)

本研究采用Flexfilm全光譜橢偏儀進(jìn)行測試。測量時使用三個入射角：60°、65°和70°。變溫測試通過變溫臺實(shí)現(xiàn)，溫度范圍300 K–850 K，每個溫度點(diǎn)穩(wěn)定15分鐘后采集數(shù)據(jù)，以保證溫度均勻性。

樣品制備與測試流程

AlN 樣品結(jié)構(gòu)示意圖

樣品采用MOCVD階梯生長法在c面藍(lán)寶石襯底上制備，分別生長了名義厚度為2 μm（AlNt）和4 μm（AlNn）的AlN外延層。橢偏測試前未對樣品進(jìn)行特殊表面處理。測試在常壓環(huán)境下進(jìn)行，高溫測試時使用水循環(huán)控溫。

數(shù)據(jù)分析與誤差控制

室溫時樣品（a）AlNt（b）AlNn測試與模型擬合的Ψ(λ)和Δ(λ)光譜

采用CompleteEASE軟件建立四層物理模型（表面粗糙度/HT-AlN層/LT-AlN緩沖層/藍(lán)寶石襯底）對橢偏光譜進(jìn)行擬合。藍(lán)寶石襯底光學(xué)常數(shù)取自文獻(xiàn)并固定不變，AlN層采用高斯振子與Psemi振子組合描述。通過最小二乘法反復(fù)優(yōu)化，獲得膜厚、光學(xué)常數(shù)（n, k）、表面粗糙度及帶隙等參數(shù)，擬合優(yōu)度通過實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線的吻合程度判斷。

2

結(jié)果與討論

flexfilm

薄膜厚度與光學(xué)常數(shù)的橢偏表征

室溫下兩個樣品的擬合光學(xué)常數(shù)（折射率n和消光系數(shù)k）

AlNt和AlNn薄膜樣品橫截面的SEM形貌圖

通過室溫橢偏擬合，獲得AlNt和AlNn的外延層厚度分別為（1.78±0.04）μm和（3.67±0.05）μm，與SEM結(jié)果一致。表面粗糙度分別為（3.07±0.03）nm和（3.58±0.05）nm。室溫下兩個樣品的折射率n與消光系數(shù)k隨光子能量的變化關(guān)系，在帶隙附近，k值迅速上升，表明吸收邊陡峭，晶體質(zhì)量較高。

帶隙與Urbach帶尾的橢偏分析

室溫下兩個AlN樣品外延層(αhν)2和ln(α)與光子能量（hν）的關(guān)系圖

通過(αhν)2-hν關(guān)系圖線性擬合得到AlNt和AlNn的帶隙分別為（6.11±0.01）eV和（6.10±0.02）eV。基于吸收系數(shù)α的指數(shù)衰減區(qū)域，通過lnα-hν關(guān)系擬合得到Urbach帶尾能量Eu分別為（50±0.02）meV和（45±0.02）meV。較厚的AlNn樣品Eu更小，表明其結(jié)構(gòu)無序度更低、晶體質(zhì)量更好，與XRD測得的（0002）面半高寬變化趨勢一致。

高溫變溫橢偏揭示帶隙熱穩(wěn)定性

高溫變溫SE測試數(shù)據(jù)擬合后得到的n和k

在300 K–850 K溫度范圍內(nèi)進(jìn)行變溫橢偏測試，獲得了n、k及帶隙Eg隨溫度的變化關(guān)系。結(jié)果顯示，隨著溫度升高，吸收邊紅移，帶隙減小。

通過Bose-Einstein模型擬合Eg-T關(guān)系，得到AlNt和AlNn的平均電子-聲子耦合能分別為（389±100）meV和（390±102）meV，特征溫度分別為（800±154）K和（795±155）K。

與文獻(xiàn)中較薄樣品（如136 nm樣品耦合能為687 meV）相比，本研究中微米級厚度樣品的耦合顯著減弱，表明厚度增加可有效提升AlN帶隙的熱穩(wěn)定性。當(dāng)厚度達(dá)到微米級后，厚度對Eg溫度依賴性的影響趨于飽和。

本研究通過光譜橢偏技術(shù)，準(zhǔn)確表征了不同厚度c面AlN外延薄膜的厚度、光學(xué)常數(shù)、帶隙及Urbach帶尾，并結(jié)合高溫變溫測試，系統(tǒng)分析了薄膜厚度對晶體質(zhì)量與熱穩(wěn)定性的影響。橢偏數(shù)據(jù)表明，厚度增加可降低薄膜的結(jié)構(gòu)無序度，減小Urbach帶尾，并顯著弱化電子-聲子耦合作用，從而增強(qiáng)帶隙在高溫下的穩(wěn)定性。這些結(jié)果為面向高溫工作的AlN基光電子器件設(shè)計與工藝優(yōu)化提供了關(guān)鍵的薄膜質(zhì)量評估依據(jù)。

Flexfilm全光譜橢偏儀

flexfilm

全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測量技術(shù)：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

#橢偏儀#氮化鋁#外延薄膜#高溫光學(xué)特性#帶隙熱穩(wěn)定性

原文參考：《Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)研究》

*特別聲明：本公眾號所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，如涉及版權(quán)問題，敬請聯(lián)系，我們將在第一時間核實(shí)并處理。