王守國(guó)，柴涇睿,，王 登

(1.西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710127;2.西安電子科技大學(xué) 寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

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·信息科學(xué)·

4H-SiC同質(zhì)外延拉曼散射光譜

王守國(guó)1，柴涇睿1,2，王 登2

(1.西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710127;2.西安電子科技大學(xué) 寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

在4H-SiC(0001)襯底上,使用CVD法生長(zhǎng)不同摻雜濃度的外延層。將不同摻雜濃度的4H-SiC外延層,用拉曼散射光譜進(jìn)行了研究。使用Matlab擬合了LOPC模的線型,并從理論上計(jì)算出載流子濃度,載流子濃度的理論計(jì)算值與SIMS測(cè)量的結(jié)果符合良好。隨著摻雜濃度的變大,載流子濃度變大,LOPC峰發(fā)生藍(lán)移,頻移變大,散射強(qiáng)度變小,峰寬變寬。分析認(rèn)為,LOPC峰發(fā)生藍(lán)移主要和晶格振動(dòng)有關(guān),濃度越大,使得原子之間和晶胞之間的相互作用越強(qiáng),致使出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象。隨著摻雜濃度的增大,聲子增加,進(jìn)而散射概率增加,散射概率降低了聲子壽命,聲子壽命和峰寬成反比,隨著摻雜濃度增大,峰寬變寬。隨著摻雜濃度的增大,散射強(qiáng)度越來(lái)越小。

4H-SiC;拉曼光譜;摻雜濃度;LOPC模

SiC電子器件非常適合工作在高溫,高頻和大功率等特殊環(huán)境下[1-2]。光學(xué)測(cè)試技術(shù)具有無(wú)接觸、無(wú)破壞性、測(cè)試精度高和無(wú)污染晶片等優(yōu)點(diǎn)[3],本文通過(guò)拉曼散射光譜對(duì)4H-SiC外延特性的研究分析,通過(guò)MATLAB仿真模擬了LOPC模的線型,從理論上計(jì)算出載流子濃度,并與SIMS測(cè)得的濃度進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出隨摻雜濃度的變化,LOPC峰的變化情況,并加以理論分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品制備采用德國(guó)AIXTRON公司的VP508水平式低壓熱壁CVD系統(tǒng)。襯底為SiCrystal.AG公司提供的Si面,偏離(0001)面8°的n型4H-SiC單晶,摻雜濃度約為5×1018cm-3。制備過(guò)程中SiH4，C3H8作為Si源和C源;高純N2作為摻雜的N源,氫氣為載氣。外延樣品生長(zhǎng)溫度在1 570°C,壓力為100mbar。

實(shí)驗(yàn)中所用拉曼測(cè)試系統(tǒng)的光源為Ar+激光器,激發(fā)波長(zhǎng)為532nm譜線,激發(fā)功率為200mW,測(cè)試是在室溫下進(jìn)行,掃描范圍為65～1 700 cm-1,測(cè)試精度為1.8 cm-1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4H-SiC是六角結(jié)構(gòu),晶體的空間群滿足C46v對(duì)稱,原胞內(nèi)包含8個(gè)原子。在入射光平行于C軸背散射條件下,根據(jù)拉曼散射的選擇定則,可以獲得A1，E1，E2模的拉曼譜。

圖1是不同摻雜濃度4H-SiC單晶的背散射幾何配置下的拉曼光譜,樣品1，2，3為N摻雜n型4H-SiC。通過(guò)SIMS測(cè)得它們的載流子濃度分別為1.1×1016cm-3;1.4×1017cm-3;5.0×1018cm-3。各個(gè)拉曼散射峰對(duì)應(yīng)的聲子頻率及其對(duì)稱性見(jiàn)表1。還根據(jù)拉曼光譜強(qiáng)度的明顯不同,可以確定所測(cè)晶體的晶型。S. Nakashima等[3]提出,若某一晶型的SiC單晶晶體的六方百分比為n,則在其拉曼活性的橫向聲學(xué)模(FTA)和橫向光學(xué)模(FTO)中,最大強(qiáng)度的FTA模和FTO模其簡(jiǎn)約波矢x均等于該晶體的六方百分比n。4H-SiC的n=50%,即x=2/4的FTA, FTO的強(qiáng)度最大,該結(jié)果正好與圖的標(biāo)示相同,所以可以確定該樣品為4H-SiC。

圖1 不同摻雜濃度4H-SiC單晶的背散射幾何配置下的拉曼光譜Fig.1 Ramdh spectra of fifferent doping concenqation 4H-SiC single crystal under the back scattering geometrg configuation

表1 拉曼散射峰對(duì)應(yīng)的聲子頻率及其對(duì)稱性Tab.1 The phonon frequency and symmetry of Raman scattering peaks

3 在LO聲子等離子體激元耦合模式下的拉曼散射理論分析

線的形狀和耦合模式的頻率已經(jīng)通過(guò)介電分析計(jì)算出來(lái)了[3-10]。式(1)給出了LOPC模式下的拉曼散射效率。

(1)

式中S是比例常數(shù)

(2)

εM(ω)=ε1(ω)+iε2(ω)。

(3)

等離子頻率和載流子有效質(zhì)量以及載流子密度密切相關(guān),由式(4)可以看出

(4)

式中ωp為等離子體頻率;n為載流子密度;m*為載流子的有效質(zhì)量;εα為光學(xué)介電常數(shù);為了充分地展現(xiàn)出LO聲子的衰減,我們采取以下有關(guān)聲子衰減的介電函數(shù),

(5)

式中ωL是LO聲子頻率;我們把這個(gè)公式作為擴(kuò)展的經(jīng)典介電函數(shù)(ECDF)。這個(gè)公式已經(jīng)開(kāi)始被用于分析拉曼散射和紅外反射,上述介電函數(shù)的實(shí)部和虛部由式(6)給出

ε1(ω)=

(6)

ε2(ω)=

(7)

函數(shù)F1和F2的確切形式如下

F1(ω)=

(8)

F2(ω)=Im(F)=

(9)

式中C是Faust-Henry系數(shù);ωT是TO聲子頻率;Γ是聲子衰減常數(shù);γ是等離子衰減常數(shù)。

4 理論分析

使用最小二乘法通過(guò)MATLAB對(duì)LOPC模式下的數(shù)據(jù)線,用ECDF方程進(jìn)行擬合。將ωp，Γ，γ作為可調(diào)整的參數(shù),通過(guò)擬合得到ωp的值,再由方程(4)得到載流子濃度。圖2、圖3和圖4是擬合的結(jié)果

圖2 載流子濃度為1.1×1016cm-3的4H-SiC擬合圖形Fig.2 4H-SiC fitting graphics with carrier concentration of 1.1×1016 cm-3

圖3 載流子濃度為1.4×1017cm-3的4H-SiC擬合圖形Fig.3 4H-SiC fitting praphics with carrier concentration of 1.4×1017 cm-3

圖4 載流子濃度為5.0×1018cm-3的4H-SiC擬合圖形Fig.4 4H-SiC fitting graphics with carrier concentration of 5.0×1018cm-3

通過(guò)擬合得到ωp的值,再由方程(4)分別得到3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的載流子濃度分別為1.3×1016cm-3;1.2×1017cm-3;4.9×1018cm-3。與SIMS測(cè)得的載流子濃度1.1×1016cm-3;1.4×1017cm-3;5.0×1018cm-3,相比較發(fā)現(xiàn)結(jié)果符合的較好,表明拉曼光譜可以提供較為準(zhǔn)確的載流子濃度。

結(jié)合圖1和圖2可以看出,隨著摻雜濃度的變大,A1峰發(fā)生藍(lán)移,LOPC峰藍(lán)移可能和晶格振動(dòng)有關(guān)。隨著載流子濃度的增加,使得原子之間及晶胞之間的相互作用增加,從而引起振動(dòng)頻率的增加,因此出現(xiàn)了A1峰藍(lán)移的現(xiàn)象。隨著摻雜濃度的增大,進(jìn)而散射概率增加,增加的散射概率降低聲子壽命,聲子壽命和峰寬成正比,所以峰寬也隨之變寬。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)4H-SiC(0001)襯底上CVD法生長(zhǎng)的不同摻雜濃度的同質(zhì)單晶外延進(jìn)行了拉曼散射光譜研究。結(jié)果表明隨著摻雜濃度的增大,載流子濃度也在增加：①隨著載流子濃度的增加我們發(fā)現(xiàn)規(guī)律LOPC峰發(fā)生藍(lán)移，根據(jù)分析認(rèn)為可能是由于原子增多而引起的原子之間及晶胞之間的相互作用增加,從而引起振動(dòng)頻率的增加,因此出現(xiàn)了A1峰藍(lán)移的現(xiàn)象；②隨摻雜濃度的增大, 禁帶寬度隨之發(fā)生變化,載流子的增大導(dǎo)致勢(shì)能降低,從而導(dǎo)致散射強(qiáng)度變??；③摻雜濃度的增大,聲子增加,進(jìn)而散射概率增加,增加的散射概率降低聲子壽命,聲子壽命和峰寬成正比。所以隨著摻雜濃度的增大峰寬也隨之變寬。

[1] ELASSER A, CHOW T P. Silicon carbide benefits and advantages for power electronics circuits and systems [J]. Proceedings of the IEEE, 2002, 90(6): 969-986.

[2] WALDROP J, GRANT R, WANG Y, et al. Metal Schottky barrier contacts to alpha 6H-SiC [J]. Journal of Applied Physics, 1992, 72(10): 4757-4760.

[3] YUGAMI H, NAKASHIMA S, MITSUISHI A, et al. Characterization of the free-carrier concentrations in doped β-SiC crystals by Raman scattering [J]. Journal of Applied Physics, 1987, 61(1): 354-358.

[4] HON D, FAUST W. Dielectric parameterization of Raman lineshapes for GaP with a plasma of charge carriers [J]. Applied Physics, 1973,1(5):241-256.

[5] BALKANSKI M. Light scattering in solids [M]. New York:Springer, 1974.

[6] IRMER G, TOPOROV V, BAIRAMOV B, et al. Determination of the charge carrier concentration and mobility in n-gap by Raman spectroscopy [J].Physica Status Solidi (b), 1983, 119(2): 595-603.

[7] COLWELL P J, KLEIN M V. Raman scattering from electronic excitations in n-type silicon carbide [J]. Physical Review B, 1972, 6(2): 498.

[8] KLEIN M V, GANGULY B, COLWELL P J. Theoretical and experimental study of Raman scattering from coupled LO-phonon-plasmon modes in silicon carbide [J]. Physical Review B, 1972, 6(6): 2380.

[9] FUKASAWA R, PERKOWITZ S. Raman-scattering spectra of coupled LO-phonon-hole-plasmon modes in p-type GaAs [J]. Physical Review B, 1994, 50(19): 14119.

[10] HARIMA H, NAKASHIMA S I, UEMURA T. Raman scattering from anisotropic LO-phonon-plasmon-coupled mode in n-type 4H-and 6H-SiC [J]. Journal of Applied Physics, 1995, 78(3): 1996-2005.

(編 輯曹大剛)

A study on raman scattering spectra of 4H-SiC homoepitaxial layers

WANG Shou-guo1, CHAI Jing-rui1,2, WANG Deng1

(1.School of Information Science and Technology, Northwest University, Xi′an 710127; 2.Key Laboratory of Wide Band-Gap Semiconductor Technology, Xidian University, Xi′an 710071，China)

Using CVD grown epitaxial layers of different doping concentrations on the 4H-SiC. This article, using Raman scattering spectra, is to study 4H-SiC epitaxial layer of different doping concentrations. MATLAB was used fitting the LOPC mode linear and theoretically calculated the carrier concentration, the theoretical calculations results of the carrier concentration were in good agreement with SIMS measurement. As the doping concentration increases, the carrier concentration increases, the peak of LOPC blue shifts, frequency shift becomes large, the scattering intensity is small, the peak width is widened. Analysis shows that the peak of LOPC mode shift is related to the lattice vibrations, with greater concentration the interaction between the atom and the cell, resulting in a blue-shift phenomenon. As the doping concentration increases, the phonon increases, thereby increasing the probability of scattering, lifetime and phonon peak width is inversely proportional with the doping concentration, the peak width is widened. As the doping concentration increases, the scattering intensity reduces.

4H-SiC; Raman spectroscopy; doping concentration; LOPC mode

2014-03-11

陜西省教育廳科研計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(12JK0532)；西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)青年基金項(xiàng)目

王守國(guó)，男，山東青島人，從事半導(dǎo)體器件及材料研究。

TN40

：ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2015-02-011