4H-SiC中EPI厚度，载流子浓度检测方案(激光拉曼光谱)

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Scientific拉曼光谱RamanSpectroscopy 拉曼光谱 前沿用户RamanSpectroscopy 动 态HORIBAScientificC 前沿用户动 态 如何实现4H-SiC半导体逐层分析?共聚焦拉曼告诉你! 关键词：碳化硅4H-SiC半半导体共聚焦拉曼 2019年，中国正式迈入5G商用时代，而在5G技术中，碳化硅(SiC)扮演着不可或缺的角色。作为第三代半导体代表，碳化硅由于具备宽禁带、高临界击穿电场、较高电子迁移率等特性，在新一代移动通信、高速轨道交通、新能源汽车、大数据传输、云计算、AI技术、物联网等领域都有着重要应用。SiC半导体应用日趋成熟，也掀起了人们对更高性能SiC半导体的研究热潮。 离子注入结合热退火处理是制备碳化硅半导体器件的关键加工方法，通过对EPI层进行改性可以实现性能的提升，而在这一加工过程中，不同参数的设置是关键，如离子注入剂量、外延生长时间、退火温度和时间等等。 图1碳化硅器件 那么，如何获取设置参数呢?就要对离子改性碳化硅不同深度结构及其电学性质，进行快速、无损表征。天津大学微纳制造实验室徐宗伟课题组，与德国弗劳恩霍夫协会、天津工业大学分析测试中心和南开大学物理系等合作，基于HORIBA XploRA 共聚焦拉曼光谱仪等平台，对离子注入改性的4H-SiC在深度方向进行了逐层分析研究。 最终发现在光谱仪共聚焦模式下，利用三维位移平台和Labspec 软件的Z-scan功能，能够实现对4H-SiC碳化硅材料进行深度方向的逐层无损扫描和信号解析，实现快速、无损的光谱表征。 这项研究无疑会为"定制化”加工SiC半导体提供更好的指导，本次“前沿用户报道”栏目就将带你走进徐老师团队的研究工作。 高效可行!离子注入法制备4H-SiC半导体 研究的第一步是制备。在SiC半导体中， 4H-SiC由于具有更宽的禁带、更高的电子迁移率以及较弱的各向异性，被认为是制作微波器件、高频大功率器件等潜力SiC多型材料。 徐老师团队与德国弗劳恩霍夫协会合作，采用了离子注入加退火工艺来进行SiC器件的制备。从图1和图2能够看出，这一方法成功获得了具有多层结构的4H-SiC半导体样品。 Al 离子 图2AI离子注入SiC的原子尺度SRIM模拟结果 器件已经制备完成，接下来的表征工作才是重头戏!徐老师团队主要利用共聚焦拉曼对半导体的两个重要参数进行了分析：1.EPI层厚度，因为不同的半导体器件对于外延EPI层厚度的要求并不相同，因此，获知EPI厚度并对其进行准确控制是制备半导体器件的重要一步。2.载流子浓度，作为一个重要的电学性能参数，研究这一浓度分布情况，也可以帮助优化半导体的加工参数，比如指导离子注入剂量、退火温度和时间等关键加工参数的调控。 接下来就带大家了解这两个重要参数的分析过程。 快速无损!共聚焦拉曼实现EPI层逐层表征 对于EPI层来说，要想获知其厚度从而进行准确控制，在深度方向的表征是重点。共聚焦拉曼能够帮助团队成员实现这一目标，他们利用共聚焦拉曼对4H-SiC在深度方向上进行三维表征。 图3共聚焦拉曼探针在不同深度方向上逐层扫描的示意图 图4从左往右分别为聚焦在基底层、外延EPI层和表面离子改性层的测试结果 通过对不同层拉曼信号的研究，课题组人员发现两个特殊 的重叠峰：位于964 cm-1的LO纵光学声子模、位于约 980cm-1的LOPC等离激元与纵光学声子耦合模(图5)；同时还发现，当基底层的拉曼信号达到最大值后逐渐减弱(也即LOPC峰值强度逐渐减弱)。由此可知拉曼探针已经进入了外延层，从LOPC峰最大值对应的深度，到0um(样品表面)处的距离就是外延EPI层的厚度(即图6中紫色和黄色矩形的宽度值，其中紫色的Ap是厚度约为7.5pm的样品；黄色的Q1、Q2、Q3是厚度均为5.3pm的样品)。 图5(左) 4H-SiC半导体在不同深度方向上的拉曼光谱 图6(右)研究人员选取了测试过程中的4种实验数据，得出LOPC峰和LO峰在不同深度的拉曼强度 值得一提的是，为了优化深度测试条件，研究人员对比了100倍(NA=0.9) 和50倍长焦物镜 (NA=0.5) 对改性4H-SiC深度解析中的优缺点，发现50倍长焦的镜头比100倍的更合适故碳化硅样品逐层深度分析表征。不过100倍高数值孔径物镜在高分辨率表征纳米尺度薄膜、二维材料等方面则是优选，科研人员可以根据自己的需求选择合适的镜头。 (如您想了解更多镜头表征工作，可拉至文末查看论文原文) 以上研究结果显示，利用共聚焦拉曼深度分析的LOPC峰值信号，可以获得比较准确的EPI层厚度信息。这一信息可用作指导半导体器件的制备，通过控制外延生长工艺的时间来调节EPI层厚度，最终得到理想的半导体器件。 灵敏检测!载流子浓度信息成功获取 EPI层参数的成功获取，使得研究人员对于利用共聚焦拉曼进一步表征载流子浓度也有了更足的信心。 徐老师团队将拉曼光谱测试得到的LOPC模的峰位、峰型及峰强等信息代入到LOPC模态的理论公式进行拟合，计算出载流子浓度信息。之后的研究中他们发现： 1、利用共聚焦拉曼进行分析时，不同的激发光可以检测不同浓度的载流子信息，比如325 nm激光辐照可以检测低浓度载流子信息； 2、同样是在325nm激光辐照下，样品内产生的光生载流子浓度会随着离子改性层中铝离子注入剂量的增加而减弱[2]； 3、这些都表明了共聚焦拉曼在载流子浓度表征方面的便利与优势。 进一步地，为检测载流子浓度的深度分布，团队人员采用了穿透深度更深的激发光——532nm 激光，对4H-SiC半导体进行逐层共聚焦分析。 在对一系列具有不同载流子浓度的EPI层和基底层构成的4H-SiC样品进行对比分析后，团队人员发现，随着探针由样品内部基底层上移至样品表面EPI层， 对应的LOPC峰位出现一种趋势：先平稳不动，随后逐渐往低波数方向移云(蓝移)(如下图7所示)。我们从上述研究已经知道LOPC峰是对载流子浓度很敏感的峰，这一蓝移现象意味着：从基底层到外延层，载流子存在浓度梯度。再通过对拉曼结果的计算分析，团队人员就获得了不同层对应的载流子浓度梯度。 一—Q1-5x10cm 图7不同载流子浓度的样品LOPC模随聚焦距离的变化图 知道了载流子浓度在深度方向上分布，就可以实现对不同加工参数下碳化硅器件电学性能的有效评价。比如，通常随着离子注入剂量、退火温度和时间的增加，载流子浓度会变大，这有助于获得低阻型半导体器件。针对不同的应用需求并综合考虑经济效益，就可以选出生产所需要的工艺参数。 由整个研究可以发现，利用共聚焦拉曼表征碳化硅半导体的优势不言而喻——快速、无损、三维表征，这些优势为实现半导体性能优化提供强大的分析助力。虽然目前仍存在很多亟待解决的问题，但可以肯定的是，共聚焦拉曼的三维光谱作为一种强大的分析手段，在第三代半导体器件的加工与检测中会得到更广泛应用，发挥更大作用。另外， HORIBA最新研发的LabRAM SoleilTM高分辨超灵敏智能拉曼成像仪，可以实现强大的三维拉曼光谱表征分析功能，将为拉曼光谱三维无损检测技术提供重要的支撑。 XPLORA PLUS智能型全自动拉曼光谱仪 实验仪器点评： 本工作利用HORIBA XploRA 共聚焦拉曼光谱仪的深度扫描功能，提供了样品内部不同深度对应的不同拉曼信息；HORIBA光谱仪共聚焦物理针孔的设计，提高了深度方向的空间分辨率； Labspec软件的数据分析和寻峰拟合，提高了光谱的分辨率，丰富的测试和数据分析功能实现了对多层样品结构的无损快速检测。 文章作者&论文直达 作者：徐宗伟，宋莹，刘涛，精密仪器与光电子工程学院，天津大学 文章1标题： Depth Profiling of Ion-Implanted 4H-SiC Using Confocal Raman Spectroscopy论文1链接： https：//www.mdpi.com/2073-4352/10/2/131 文章2标题： Raman Characterization of Carrier Concentrations of Al-implanted 4H-SiC with Low CarrierConcentration by Photo-Generated Carrier Effect 论文2链接： https：//www.mdpi.com/2073-4352/9/8/428 ORIBAExplore the futureAutomotive Test Systems Process & Environmental Medical Semiconductor||Scientific