各位朋友们好，我们之前分享了九期我司的SR900-Raman光谱仪在GaN，SiC以及AlN，碳纳米管上的应用，，以及我司的远程Raman系统用于材料生长的过程监控。

那么，本期作为第十期，我司希望和您分享的是SR900 Raman光谱系统在AlGaN中的Al组分测量的应用。

如大家所知道的，其实AlGaN中Al组分浓度测试的方法有多种，我们也在此一一说明如下。

表1. AlGaN中Al组分浓度测试方法对比

对于AlGaN结构的LED器件而言，常用AlGaN的光致发光（PL）峰位来反推组分，但是对于表面有p-GaN（或 p-AlGaN）层的器件，例如高电子迁移率晶体管（HEMT）器件，由于吸收深度非常浅，只要几十nm，就会完全吸收200nm左右的激发光，无法穿透盖层，激发下面的AlGaN层，因此PL方法就不适用了。

此外对于高Al组分的AlGaN而言，采用PL方法也受到应力和掺杂的干扰，需要格外注意。高 Al 组分外延层往往处于高双轴应力，应力本身就会带来 100–200 meV 的带隙漂移，难以区分到底是组分变化还是应力变化引起的峰位移动。高 Al材料n型背景高、p型掺杂难以激活，载流子屏蔽效应使得带边发光峰宽化、漂移，进一步降低用 PL 定量的准确度。

因此，在高 Al 组分（x ≥ 0.4）情况下，工业界普遍“跳过”PL，直接采用 HR-XRD（兼顾应力信息）或 Raman（兼顾微区、在线监控）作为 Al 组分的主力测试方法。

今天我们主要谈Raman。

现在大家都在做氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）和铝镓氮（AlGaN）这些“第三代半导体”器件——蓝光 LED、紫外激光器、5G高频功率器件都要用到它们。但这些材料在生长和后续加工（离子注入、退火、刻蚀等）过程中，会出现很多的问题：

晶体质量会时好时坏；

应力一会儿压、一会儿拉；

铝含量、载流子浓度、温度都可能“漂移”。

我们先结合着Dr. KuBall的一篇文章（DOI: 10.1002/sia.1134），对于Raman光谱可以在半导体生长与监控以及检测方面可以做什么，进行分享。

过去没有一种“无创、快速、微区”的检测手段能把这些关键参数一次性在线监控住，于是大家只能“盲做”。这篇文章给出的答案就是：用拉曼光谱（Raman spectroscopy）来“边做边看”，把晶体质量、应力、载流子浓度、铝含量、温度统统实时测出来。

二、拉曼光谱为什么能当“万能听诊器”？

原理一句话：激光打进去，晶体里的原子会像“弹簧”一样振动；振动频率和强度对应材料的“指纹”。指纹一旦变化，就说明晶体内部“出了状况”。

三、从拉曼光谱里具体能读出哪些“体检指标”？

四、文章做了哪些“实战演练”？

(1)高温退火监控

先把离子注入后的 GaN 搞成“烂晶体”，再 1200–1500℃、1 GPa 氮气高压退火；拉曼实时看 E₂峰宽度——退火到 1500℃基本恢复“完美晶体”。

(2)气氛退火对应力的影响

800-1300℃退火：氮气里几乎没变化；氧气里出现 1 GPa 级压应力；若再加一点水汽，应力直接飙到 3 倍——说明氧+水汽能大量掺进 GaN。

(3)AlGaN/GaN 高频晶体管（HFET）的界面载流子

用325 nm 紫外拉曼只扫最上面的 40 nm，发现退火后 AlGaN 层“消失”，界面 2DEG 密度从 2×1017/cm-3降到 1×1017/cm-3——解释了器件性能下降。

(4)MBE 生长原位监控

在 600℃生长 GaN/Si(111) 时，拉曼一边长一边看：

30 nm 就能出现 GaN 特征峰；

Fabry-Perot 干涉条纹还能算出实时厚度；

Si 衬底峰位移 1 cm-1，对应 0.2 GPa 压应力。

(5)拉曼面扫描（Mapping）  

在块体 AlN 单晶侧表面 50×50 µm 区域扫 E₂峰，发现平行于生长条纹的“压缩应力带”，应力起伏 0.3 cm-1：晶体质量本身很均匀。

五、Raman给出的“使用说明书”

1. 想测 晶体好坏 → 看 E2峰宽度。

2. 想测 应力 → 看 E2峰位置偏移。

3. 想测 电子浓度 → 看 A1(LO)-plasmon耦合峰 L+。

4. 想测 铝含量 → 看 A₁(LO) 或 E2峰位置，用公式直接算x。

5. 想测 温度 → 看 E2峰温度系数 −0.022 cm-1/℃。

6. 想测 表面/界面 → 用 325 nm 紫外激光，只照 40 nm；

7. 想测 体材料 → 用 488/514 nm 可见激光，光穿透更深。

图1. 文章中给出的Al组分浓度与相关峰之间的关系

六、一句话总结

把拉曼光谱打造成一把“瑞士军刀”，让 GaN、AlGaN、AlN 在生长、加工、器件制造的全流程里都能“实时体检”，哪有问题立刻知道，从而真正提高器件良率和性能。

我司SR900对Al组分的测试数据以及和椭偏仪拟合结果的对比。

图2. SR900得到的AlGaN测试数据与拟合结果

八、SR900应用案例

本次的样品为包含Si/AlGaN/GaN多层薄膜结构的6寸HEMT晶圆片：AlGaN/GaN HEMT。

此时由于拉曼光谱的激光（532nm）可以穿透多层膜，不受表面GaN层的吸收影响，因此可给出多层结构的指纹峰，并对其应力、组分、载流子浓度等进行分析。

测试结果如图3到图5所示。

图3. Si衬底的应力分布（MPa）

图4. GaN应力分布（MPa）

图5. AlGaN中Al组分比例分布