各位朋友们，大家好。

因为过往有经常咨询我们设备用于GaAs以及InP材料与晶圆的检测，例如Raman测试应力，PL与TRPL测试等。

目前我司也具备了如下的功能：

532nm测试RamanMapping

405nm测试TRPLMapping

375nm与532nm测试PLMapping

532nm激发下的NIR波段PL测试

欢迎各位来咨询与免费测样。

从本期开始，我们计划基于过往的经验与数据和公开的文献，针对于GaAs与InP材料和晶圆的光谱测试以及辐照损伤等进行展开性的分享与讲解，以便和大家一起碰撞交流。

本次的专题，共计分为五期，分别是：

GaAs 与 InP 材料与晶圆的光谱测试技术研究进展综述

Raman 光谱在 GaAs 与 InP 材料与晶圆表征中的应用

近红外 PL 测试助力 GaAs 与 InP 材料与晶圆的光学特性研究

TRPL 测试揭示 GaAs 与 InP 材料与晶圆载流子动力学奥秘

GaAs与InP辐照损伤与光谱测试研究

欢迎大家追更并且提出宝贵建议与意见。

本期开始我们GaAs与InP光谱测试系列的第一辑：

GaAs 与 InP 材料与晶圆的光谱测试技术研究进展综述

一、引言

1.背景知识

在半导体物理学中，载流子动力学是决定光电子和微电子器件性能的核心要素。砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）作为 III - V 族半导体材料的杰出代表，因其卓越的物理特性，如高电子迁移率、直接带隙以及优异的光学性能，在现代光通信、激光技术、光探测以及高速电子器件等诸多前沿领域发挥着关键作用。从高性能的半导体激光器到灵敏的光探测器，再到高速低功耗的集成电路，这些材料的应用无处不在。

图１. 磷化铟和砷化镓发展及应用历程

从国内外的晶圆生长情况来看，Sumitomo、AXT和Yunnan Germanim相继能生产８ 英寸高质量砷化镓晶体， 如表１所示。 ８英寸砷化镓晶体预计２０２５—２０２６年能大批量进入商业化应用。Sｕｍｉｔｏｍｏ、 ＡＸＴ、 ＣＥＴＶ１３、 Ｙｕｎｎａｎ Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ 和 ＶＩＴＡＬ 均实现了 ６ 英寸及以上的单晶研发技术， 但ＣＥＴＶ１３ 和 Ｙｕｎｎａｎ Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ 在单晶体最大质量、 迁移率、 受主杂质含量、 电阻率批次间不均匀性、 迁移率片间不均匀性等各项指标上均有优势。

体衬底的位错密度影响外延层质量、 激光器寿命等核心参数， 位错密度越低越好。 衬底的残留内应力会影响外延层质量与表面平整度， 终极目标是无应力残留。 金属杂质残留会影响外延层表面质量及激光器老化试验。 解理面及晶向偏转角度的精度会影响激光器的发射效率。 单晶加工清洗工艺与外延的工艺匹配会影响激光器加工的品质与产品质量。 由于激光器的传输速率更高以及 ＶＣＳＥＬ 的发展， 对晶片表面颗粒残留要求也更高，一 般要求颗粒＜１００颗（0.3μｍ）， 少数要求颗粒 ＜ １００ 颗 （0.08μｍ）， 这对清洗工艺以及加工环境提出更高的要求。

目前， 国内磷化铟单晶市场的国内外厂家对比如表2所示。

表2. 国内外厂家对比

工欲善其事，必先利其器，特别是在材料科学与工程领域，对材料进行精准的表征是实现其高性能应用的关键前提。

随着科技的飞速发展，特别是纳米技术和量子信息技术的崛起，人们对 GaAs 和 InP 材料在纳秒甚至皮秒时间尺度内的载流子行为的研究需求日益迫切。时间分辨光致发光（TRPL）测试技术应运而生，它不仅能够捕捉到载流子寿命、扩散和陷阱捕获等关键动力学参数，还具备高时间分辨率的独特优势，能够在超短的时间窗口内精准描绘出载流子的瞬态行为。这使得 TRPL 测试成为解锁 GaAs 和 InP 材料载流子动力学奥秘的一把关键钥匙，对于推进相关材料的性能优化和新型器件的设计开发有着不可估量的价值。

2.研究意义

深入探究 GaAs 和 InP 材料的载流子动力学特性，不仅有助于优化材料的生长工艺、提升器件性能，还对新型光电子器件的研发具有重要的指导意义。Raman、近红外 PL 和 TRPL 测试技术以其独特的优势，为研究这些材料的载流子动力学提供了有力支持，推动了半导体光电子领域的技术进步和产业升级。

二、Raman 测试在材料表征中的重要性

1.Raman 光谱原理及其优势

Raman 光谱作为一种非接触式、无损检测技术，通过分析散射光的频率变化，能够提供材料内部原子和分子振动模式的丰富信息。其优势在于高空间分辨率、丰富的化学和结构信息以及对无机材料的良好适用性，使其在 GaAs 和 InP 材料的晶体质量评估、晶体结构分析以及应力应变测量等方面展现出巨大潜力。

2.在 GaAs 和 InP 材料中的应用

• 晶体质量评估 ：高质量的 GaAs 和 InP 晶圆通常展现出尖锐且对称的 Raman 峰，而缺陷或杂质的存在会导致峰形变宽、变弱甚至出现新的散射峰。通过 Raman 光谱分析，可以确定杂质的类型和掺杂浓度，为材料的生长和掺杂工艺优化提供重要依据。

• 晶体结构分析 ：Raman 光谱能够有效区分 GaAs 和 InP 晶体的不同振动模式，如纵光学（LO）模和横光学（TO）模。通过分析 Raman 峰位的变化，可以精确判断晶体结构和相变情况。

• 应力应变测量 ：Raman 峰位偏移与应力应变之间存在定量关系，通过高精度测量，可以实现对 GaAs 和 InP 晶圆应力应变的非接触式、高精度测量，这对于评估晶圆在器件制备过程中的机械稳定性和性能可靠性具有重要意义。

图2. SR900晶圆级Raman光谱测试系统

图3. GaAs测试结果展示

三、近红外 PL 测试在材料表征中的重要性

1.近红外 PL 测试原理及其优势

近红外 PL 测试通过检测材料在近红外波段的发光特性，能够直接反映材料的能带结构和光学特性。其优势在于能够提供丰富的载流子复合信息和光学质量评估手段，对于研究 GaAs 和 InP 材料的光学特性和载流子行为具有重要意义。

2.在 GaAs 和 InP 材料中的应用

• 带边发光特性研究 ：带边发光对应于电子从导带直接跃迁到价带的辐射复合过程。高质量的 GaAs 和 InP 晶圆通常展现出较强的带边发光强度和较窄的发光峰宽，而缺陷或杂质的存在会导致带边发光峰的红移、展宽或强度降低。通过分析带边发光特性，可以确定杂质的类型和浓度，为材料的掺杂工艺优化提供重要指导。

• 缺陷态发光分析 ：缺陷态发光与材料中的晶格缺陷、界面态以及表面态等有关。在近红外 PL 光谱中，缺陷态发光峰会出现在带边发光峰的长波长或短波长一侧，通过对这些峰的分析，可以评估材料中的缺陷密度和缺陷类型，进而推断材料的晶体质量和生长工艺对缺陷形成的影响。

• 载流子复合动力学研究 ：通过测量 PL 强度随温度、激发光强度和波长等因素的变化，可以深入分析载流子的辐射复合、非辐射复合以及俄歇复合等不同复合机制的相对贡献，从而揭示载流子的复合行为与材料微观结构之间的内在联系。

四、TRPL 测试在材料表征中的重要性

1.TRPL 测试原理及其优势

TRPL 测试结合超短脉冲激光激发与高精度时间探测，能够捕捉载流子寿命、扩散和陷阱捕获等关键动力学参数。其优势在于高时间分辨率，能够在纳秒甚至皮秒量级的时间尺度上捕捉载流子的动态变化过程，为深入研究材料中的载流子行为和复合机制提供了独特的手段。

2.在 GaAs 和 InP 材料中的应用

• 载流子寿命测量 ：TRPL 测试能够精准提取载流子寿命信息。高纯度、无缺陷的 GaAs 和 InP 晶圆通常具有较长的载流子寿命，表明内部非辐射复合几率较低。生长工艺参数对载流子寿命有显著影响，通过 TRPL 测试实时监测可优化生长工艺。而晶圆中的位错、晶界以及杂质的存在会导致载流子寿命大幅缩短，通过 TRPL 测试，可以定量分析杂质的类型和浓度对载流子寿命的影响。

• 载流子扩散研究 ：TRPL 测试通过监测不同位置的光致发光信号的时间变化，精准描绘出载流子的扩散轨迹。在高质量的 GaAs 和 InP 晶圆中，载流子扩散长度较大，这对于制备高效的光电子器件至关重要。当晶圆中存在晶格畸变或应力应变时，载流子扩散会受到显著阻碍。通过 TRPL 测试，可以直观地观察到这种变化，并结合退火等修复工艺，优化晶圆的载流子扩散特性。

• 陷阱捕获特性分析 ：TRPL 测试能够精准识别材料中的陷阱类型和位置。深能级陷阱通常源于晶格缺陷或杂质能级，对载流子的捕获作用强烈，会显著影响载流子的传输和复合过程。通过 TRPL 测试，可以观察到由于陷阱捕获效应导致的多指数衰减曲线。通过对这种多指数衰减曲线的拟合分析，可以获取陷阱的深度、捕获截面以及陷阱密度等关键参数。这些参数对于优化 GaAs 和 InP 晶圆的电子器件性能具有重要的指导意义。

图4. SF900晶圆级荧光光谱测试系统（可以测试PL与TRPL）

五、三种测试技术的对比与协同发展

1.技术对比

Raman 测试、近红外 PL 测试和 TRPL 测试在原理、优势和应用领域上各具特色。Raman 测试擅长晶体结构和应力应变分析；近红外 PL 测试在光学质量和载流子复合研究中表现出色；TRPL 测试则在载流子动力学方面独具优势。通过对比分析，可以更好地理解它们在材料研究中的应用特点，为选择合适的测试手段提供参考。

2.协同发展

在实际研究中，综合运用这三种测试技术可以实现对材料特性的全面、深入表征。例如，先利用 Raman 测试确定材料的晶体结构和应力应变状态，再通过近红外 PL 测试评估材料的光学质量，最后运用 TRPL 测试深入研究载流子的动力学行为。这种多技术协同的方式，能够为材料的性能评估和质量控制提供更全面、深入的解决方案。

六、结论与展望

1.研究结论

综上所述，Raman、近红外 PL 和 TRPL 测试在 GaAs 与 InP 材料与晶圆表征中具有至关重要的作用。Raman 测试能够提供晶体结构、应力应变和杂质信息；近红外 PL 测试反映了材料的光学质量和载流子复合特性；TRPL 测试则深入揭示了载流子的动力学行为。这三种测试技术相互补充，共同为 GaAs 与 InP 材料与晶圆的性能评估和质量控制提供了全面、深入的解决方案。

2.未来展望

在未来的发展中，随着仪器设备的不断进步和测试技术的持续创新，Raman、近红外 PL 和 TRPL 测试有望在以下几个方面取得突破：一是进一步提高测试的空间分辨率和灵敏度，实现对材料微观结构和局部特性的更精准探测；二是加强多技术融合，构建多维度、综合性材料表征平台，深入揭示材料的物理化学本质；三是拓展测试技术在新型 GaAs 和 InP 材料以及新兴光电子器件中的应用，为前沿科技领域的研究和发展提供有力支持。通过持续的技术创新和多学科交叉研究，这些测试技术将在半导体光电子领域持续发挥引领作用，推动技术突破和产业升级。