硅基AlN薄膜的Raman光谱应力测量与质量提升

2024年3月，苏州惟光探真科技有限公司的刘争晖研究员与中科院苏州纳米所的范世钊研究员在JAP（Journal of Applied Physics）杂志上联合发表了题为Polarity control and crystalline quality improvement of AlN thin films grown on Si(111) substrates by molecular beam epitaxy的相关文章，在本篇文章中，范世钊研究员使用了苏州惟光探真的SR900 Raman光谱测试系统（初代型号为R1）对采用等离子体辅助MBE生长的N记性与Al极性硅基AlN薄膜，通过Raman光谱的方法进行应力测量，相关数据在文章中有所呈现。

接下来，小薇就给您带来本篇文章的相关内容简介。

在本篇文章中，通过等离子体辅助分子束外延技术在Si(111)衬底上成功制备了N极性与Al极性AlN薄膜。通过四甲基氢氧化铵选择性湿法腐蚀及高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）原子级截面观测，验证了AlN外延层的极性取向。290 nm厚N极性AlN外延层的X射线衍射（XRD）(002)和(102)面ω摇摆曲线半高宽分别为475与1177角秒，表面粗糙度（RMS）为0.30 nm。采用金属通量调制外延（MME）方法实现了极性反转，该方法诱导{2̄201}晶面形成反相界（APBs）而非传统AlN外延层中常见的横向平面反相界。倾斜反相界在~50 nm厚度处融合，最终形成完整的Al极性表面。180 nm厚Al极性AlN外延层的XRD(002)和(102)峰半高宽分别为1505与2380角秒，表面RMS粗糙度升至1.41 nm。

XRD与拉曼光谱应变分析表明：N极性AlN外延层表面存在0.160%的均匀张应变，其纵向应变分布范围为0.113%～1.16%；而Al极性AlN外延层沿生长方向呈现更宽泛的张应变分布（0.482%～2.406%），这种差异可能源于极性反转过程与应变弛豫机制的相互作用。

文章中提到，使用苏州惟光探针科技有限公司的R1型晶圆拉曼系统进行拉曼光谱测试（当前型号为SR900）。该系统配置焦距320 mm的光谱仪，搭载1800线/mm光栅。实验采用532 nm波长激光器，输出功率30 mW，通过数值孔径0.8的100倍物镜将激光聚焦成直径约0.8 μm的光斑。利用同轴物镜收集散射光信号，成功观测到氮化铝外延层E2（高频）和A1（纵光学）声子模式。实验前使用单晶硅520.7 cm⁻¹特征峰对拉曼系统进行了校准。

通过XRD表征生长在Si(111)衬底上的N极性与Al极性AlN薄膜，结果表明我们实现了两种极性薄膜结晶质量的同步提升，且两种AlN外延层内部均存在张应变分布，其中Al极性AlN的应变分布范围较N极性更宽。如前所述，XRD扫描参数经过精心选择以确保峰宽真实反映晶体质量与应变分布。文献中相关结果显示，Al极性AlN外延层的结晶质量低于N极性AlN，这可能是由于极性反转过程中增大的张应变所致，具体机理将在后文深入分析。文章表明，对于两种AlN外延层，(002)晶面的2θ-ω扫描峰向高角度偏移，而(102)晶面的2θ-ω扫描峰相对于弛豫态AlN的参考峰位[(002):36.03°；(102):49.81°]向低角度偏移，证实了面内张应变的存在。2θ-ω扫描峰的展宽表明晶面间距的变化，即AlN外延层内部存在不均匀的应变分布。通过N极性AlN外延层的(002)和(102)峰位计算得到其晶格常数a和c，进而得出面内应变为0.635%、面外应变为-0.126%。该应变值对应的泊松比为0.198，与文献报道的0.177–0.255范围相吻合。为分析N极性AlN外延层的内部应变分布，我们采用峰强85%处的峰宽定义（如黑色虚线标记），以最小化测试条件引起的峰展宽效应。计算得到N极性与Al极性AlN外延层的面内张应变范围分别为0.113%–1.160%和0.482%–2.406%。考虑到X射线光斑尺寸(~300×1200 μm²)与相互作用深度(>5 μm)，应变变化可能来源于晶圆横向分布或外延层纵向分布。

图1. 本篇文献中的XRD数据

拉曼光谱分析表明，晶圆横向（面内方向）张应变分布均匀，结合XRD观测到的面内张应变变化实则为外延层纵向（垂直方向）的应变分布差异。文献中的测试结果展示了生长于Si(111)衬底上的N极性AlN薄膜的典型拉曼光谱，其特征峰位于618.5、653.6、670.0、820.0和885.8 cm⁻¹处，这些峰在Si(111)上生长的AlN中普遍存在。其中653.6与885.8 cm⁻¹分别对应AlN的E2（高频）和A1（LO）声子模。之前有文献将618.5 cm⁻¹归属为A1（TO）模，但该模式在Z散射几何构型下实际为禁阻跃迁。也有文献则认为618.5与820.0 cm⁻¹源于Si/SiO₂振动模，但未提及670.0 cm⁻¹峰。通过对比Borowicz等报道的拉曼光谱，我们确认618.5、670.0和820.0 cm⁻¹峰来源于Si(111)衬底的双声子散射模式。E2（高频）模因其对面内双轴应变的高敏感性，常被用作III族氮化物外延层应变状态的表征指标。得益于~0.8 μm的小光斑尺寸与较浅的相互作用深度，拉曼光谱可有效探测AlN外延层的表面局域应变状态。对2英寸晶圆进行51点扫描发现，尽管峰强度存在波动，但E2（高频）峰半高宽（6.94 cm⁻¹）与峰位（653.6 cm⁻¹）在全晶圆范围内基本恒定。相较于弛豫态AlN参考峰位（657.4 cm⁻¹），该峰红移3.84 cm⁻¹，证实了晶圆横向张应变的均匀分布特性。

图2. 文献中的Raman光谱测试数据（均采用我司的SR900完成）

通过拉曼光谱中E2（高频）模的峰位偏移可建立其与AlN薄膜应力的定量关系。文献中，研究者通过XRD与拉曼联合实验测定了E2（高频）声子模的形变势，本文采用Callsen等基于单轴压力依赖拉曼测试获得的4.7 cm⁻¹/GPa参数值。

最终，拉曼与XRD结果对比表明：N极性AlN整体处于张应变状态，而XRD观测到的应变波动实为外延层垂直方向的应变梯度，可能源于生长过程中的应变弛豫效应，具体机理有待深入研究。反观Al极性AlN外延层，其宽域张应变分布（0.482%–2.406%）暗示极性反转过程干扰了生长时的应变演化。我们推测，极性反转与应变弛豫的耦合作用，叠加冷却过程中热失配引入的张应变，共同导致Al极性AlN中残留的高张应变。

本文对比了本研究中Si(111)基N极性AlN薄膜与文献报道的典型AlN薄膜及块晶的E2（高频）声子模峰特性参数。作为AlN结晶质量的指标，本工作中Si(111)基N极性AlN薄膜的E2（高频）峰半高宽（红色方框）处于同类材料的最低水平，与金属有机气相外延法（MOVPE）在蓝宝石衬底上生长的AlN外延层相当，并接近物理气相传输法生长的AlN块晶（黑色圆点）水平。值得注意的是，相较于蓝宝石基AlN外延层或块晶，所有Si(111)基AlN外延层均存在张应变特征，而本研究的Si(111)基N极性AlN薄膜相较于其他报道样品展现出最低的张应变值。

拉曼光谱分析证实N极性AlN外延层晶圆表面张应变分布均匀。此外，XRD分析揭示了该外延层内部存在纵向张应变分布特征。

本文的所有Raman数据均采用苏州惟光探真科技有限公司的初代版本R1 Raman光谱测量系统完成，当然，现在我们的版本已经进阶到最新的SR900啦。

本系统采用我司独有的插槽式并联光路设计，具备了很好的扩展性，搭载了我司独有的自动对焦显微镜技术，不但可以针对于显微样品进行测试，还可以针对于最大12寸晶圆进行Raman光谱测试，进而升级到PLMapping和FLIM光谱测量，从而不但得到材料的荧光特性，Raman光谱特性，已经最终的应力，晶化率，载流子浓度，缺陷和少子寿命等相关材料参数。

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本文发表在JAP杂志：J. Appl. Phys. 136, 145301 (2024)

相关阅读与下载链接为：https://doi.org/10.1063/5.0219167

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