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SiC是一種寬帶隙半導體，具有出色的材料性能，適用于高溫，高頻和高功率器件的應用。為了進一步促進SiC材料的應用，科研工作者需要充分的研究SiC材料的各種特性（例如載流子濃度和晶格聲子振動）與生長過程和晶體質量之間的關系。拉曼光譜測量方法可以提供有關材料晶體完美度的有關信息，結合空間相關模型（SCM）和LO-聲子和等離子體激元耦合（LOPC）模型，常用于材料定量分析。
廣西大學馮哲川教授課題組采用化學氣相沉積法在硅襯底上生長一系列不同厚度的3C-SiC薄膜。采用不同的激發(fā)源做拉曼光譜研究，并應用空間相關模型、本振聲子和等離子體耦合(LOPC)模型來分析薄膜的結構變化，得到不同深度薄膜光學模式的特征變化。
本文使用四個樣本C1，C2，C3和C4。 C1，C2和C4的三個樣品是未摻雜的，而C4是氮摻雜。使用兩種顯微拉曼光譜儀表征3C-SiC外延層樣品。
結果與分析
圖1 四個3C-SiC/Si（100）樣品的拉曼光譜，分別由325 nm（a）和532 nm（b）激光激發(fā)。
圖1（a）和（b）為325 nm和532 nm激光激發(fā)的四個3C-SiC樣品的室溫（RT）一階拉曼光譜。與325nm激發(fā)光源相比，532nm激發(fā)下出現了硅基底的拉曼峰，這說明532nm的穿透深度大于325nm。3C-SiC薄膜的拉曼光譜位于794 cm-1和970 cm-1，表征TO和LO聲子。根據閃鋅礦晶體（100）表面的選擇規(guī)律，應只能檢測到LO模式，但在我們的測量中，TO模式的出現可能是由于薄膜的某種無序狀態(tài)和表面非完美反向散射幾何所引起的。圖1（b）表明四個光譜中LO模式拉曼峰與硅二階峰光譜重疊，這是由于532 nm的穿透深度大于薄膜厚度所引起的。圖1（a）沒有檢測到硅的二階峰，這是由于325 nm在3C-SiC薄膜穿透深度僅約為1.5 µm，遠小于薄膜厚度。
圖2 在325nm（a）和532nm（b）激光的激發(fā)下，4個3C-SiC樣品TO模式拉曼光譜圖
表1 325 nm（532nm）激發(fā)的四個樣品的TO模式下的擬合參數。
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Sample |
C1 |
C2 |
C3 |
C4 |
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A (cm-1) |
794.3 (794.3) |
794.3 (794.3) |
794.3 (794.3) |
794.3 (794.3) |
|
B (cm-1) |
15.0 (15.0) |
15.0 (15.0) |
15.0 (15.0) |
15.0 (15.0) |
|
L (Å) |
7.4 (7.7) |
8.3 (8.3) |
8.4 (8.4) |
16.0 (9.5) |
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Γ0 (cm-1) |
7.2 (5.4) |
6.3 (4.8) |
8.7 (4.6) |
4.8 (3.8) |
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Thickness (µm) |
3.2 |
5.6 |
6.1 |
16.1 |
圖2 給出了分別在325 nm和532 nm激發(fā)下來自四個3C–SiC薄膜的TO模式擬合參數。532 nm激發(fā)下的拉曼散射強度高于325 nm，這可能是由于穿透深度的影響，穿透深度通常從可見波長到深紫外波長（DUV）逐漸減小。本文中的3C-SiC薄膜厚度在3.2-16.1um，因此，與532 nm的穿透深度相比，325 nm激光剛剛穿透了3C–SiC膜表面區(qū)域。通過325nm激發(fā)下的弱拉曼信號表明，該薄膜的表面晶格結構優(yōu)于內部。晶體質量表面與內部差異生長終止、表面殘留氧化物等因素導致。由532nm激發(fā)的TO模式強度比由325nm激發(fā)強得多。表1列出了3C–SiC樣品的擬合參數。如圖所示，隨著膜厚度的增加，相關長度L增加而半高寬減小，表明膜質量得到改善。
圖3 LOPC的拉曼光譜（a）325 nm激發(fā)光源，（b）532 nm激發(fā)光源
表2 LO聲子上的樣品參數被325 nm（532 nm）激發(fā)。
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樣品 |
C1 |
C2 |
C3 |
C4 |
|
ωp(cm-1) |
70.0 (62.0) |
75.0 (73.0) |
360.0 (354.0) |
135.0 (105.0) |
|
γ(cm-1) |
50.0 (50.0) |
50.0 (50.0) |
160.0 (102.0) |
50.0 (50.0) |
|
η(cm-1) |
6.7 (6.7) |
6.4 (5.6) |
32.0 (35.0) |
7.4 (5.4) |
|
n (×1016cm-3) |
23.4 (18.4) |
26.9 (25.5) |
619.2 (598.7) |
87.1 (52.7) |
圖3給出了3C–SiC樣品在LOPC聲子模的理論擬合峰。圖3（a）為325nm激發(fā)源，圖3（b）為4個3C-SiC樣品和Si襯底之間的差異光譜。表2給出了在不同激光激發(fā)下四個樣品的擬合結果。
本文采用紫外（325nm）和可見光（532nm）作為激發(fā)光源，應用空間相關模型（SCM）、LO-聲子與等離子體激元耦合（LOPC）模型，對3C-SiC薄膜的拉曼光譜進行研究。結果表明：
1）532nm激發(fā)的TO模式強度遠高于325nm激發(fā)源，這是由于在可見532nm激發(fā)下的散射體積比325nm激發(fā)下的散射體積大得多引起的。
2）325nm激發(fā)的自由載流子濃度高于532nm激發(fā)源，表明近表層的自由載流子濃度高于內部，這可能是薄膜近表面區(qū)域在生長過程中吸收更多的O、C、N等雜質元素，生成的缺陷導致。
3）從TO模式的線形分析，發(fā)現相關長度隨膜厚的增加而增加，表明膜質量隨膜厚的增加而提高。同樣從LO模式分析中發(fā)現LOPC拉曼譜帶變寬，并隨著雜質濃度的增加向高頻移動。
4）本文證明，采用2種激發(fā)光源進行拉曼光譜分析，可有效檢測不同厚度立方SiC的晶體質量和載流子濃度，證明了拉曼光譜作為一種非破壞性的光譜技術，可以應用于CVD的生長過程質量監(jiān)控。
該文章是由廣西大學馮哲川教授課題組完成，以題目為“Adducing crystalline features from Raman scattering studies of cubic SiC using different excitation wavelengths”發(fā)表在Journal of Physics D: Applied Physics上。
本研究中的拉曼光譜采用的是北京卓立漢光儀器有限公司Finder One系列微區(qū)激光拉曼光譜儀測得，如需了解該產品，歡迎咨詢我司。
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