硅基氮化鎵外延片檢測原理是什么？

　　硅基氮化鎵(GaN-on-Si)外延片的檢測原理，核心在于利用各種物理或化學(xué)手段，非破壞性地或微損地測量外延層的結(jié)構(gòu)、成分、電學(xué)和光學(xué)特性，并與目標(biāo)值或質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，以評估其質(zhì)量和適用性。

　　由于硅襯底與氮化鎵外延層之間存在顯著的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異，導(dǎo)致GaN-on-Si外延層中容易產(chǎn)生高密度的位錯、裂紋、應(yīng)力過大等問題。因此，檢測的重點(diǎn)集中在以下幾個方面及其對應(yīng)的原理：

　　晶體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)特性：

　　原理： 探測晶格的周期性排列、取向、缺陷密度。

　　主要技術(shù)：

　　X射線衍射：

　　高分辨率X射線衍射： 測量外延層與襯底的晶格常數(shù)、應(yīng)變/應(yīng)力(通過峰位偏移計(jì)算)、晶體質(zhì)量(通過搖擺曲線半高寬反映位錯密度)、層厚(通過衛(wèi)星峰或干涉條紋)、組分(對于三元或四元合金如AlGaN, InGaN)。這是最核心的檢測手段之一。

　　X射線反射： 精確測量外延層厚度、界面粗糙度和密度。

　　拉曼光譜：

　　原理： 測量聲子(晶格振動)的頻率。應(yīng)力會導(dǎo)致聲子峰位偏移(壓應(yīng)力藍(lán)移，張應(yīng)力紅移)，晶體質(zhì)量影響峰的寬度和強(qiáng)度。

　　應(yīng)用： 快速、無損地測量局部應(yīng)力分布(面內(nèi)和面外應(yīng)力)，定性評估晶體質(zhì)量。常用于Mapping掃描。

　　陰極熒光：

　　原理： 利用電子束激發(fā)樣品，收集其發(fā)出的光致發(fā)光信號。

　　應(yīng)用： 高空間分辨率地探測位錯密度(位錯處是非輻射復(fù)合中心，發(fā)光弱)、雜質(zhì)分布、量子阱均勻性等微觀結(jié)構(gòu)信息。

　　透射電子顯微鏡：

　　原理： 高能電子束穿透薄樣品，形成衍射花樣或高分辨晶格像。

　　應(yīng)用： 提供原子尺度的晶體結(jié)構(gòu)、界面質(zhì)量、位錯類型和密度、層厚等最直接的信息。通常是破壞性的(需要制樣)。

　　厚度和均勻性：

　　原理： 直接測量或通過干涉效應(yīng)間接測量外延層的物理厚度。

　　主要技術(shù)：

　　光譜橢偏儀：

　　原理： 測量偏振光在樣品表面反射后偏振狀態(tài)的變化，建立光學(xué)模型(包括各層厚度、折射率、消光系數(shù))來擬合測量數(shù)據(jù)。

　　應(yīng)用： 非接觸、無損地精確測量多層結(jié)構(gòu)各層的厚度和光學(xué)常數(shù)，非常適合在線監(jiān)測。

　　傅里葉變換紅外光譜：

　　原理： 測量紅外光干涉條紋，通過條紋間距計(jì)算厚度。

　　應(yīng)用： 快速測量較厚外延層的厚度。

　　X射線反射： 如上所述，精確測量厚度。

　　掃描電子顯微鏡： 觀察斷面(破壞性)測量厚度。

　　表面形貌和缺陷：

　　原理： 觀察表面的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和微觀缺陷。

　　主要技術(shù)：

　　原子力顯微鏡：

　　原理： 利用探針在樣品表面掃描，探測針尖與表面的原子間作用力。

　　應(yīng)用： 高分辨率測量表面粗糙度、臺階形態(tài)、小丘、凹坑等納米尺度的表面形貌特征。

　　光學(xué)顯微鏡：

　　應(yīng)用： 快速觀察宏觀缺陷如裂紋、崩邊、大的顆粒污染、霧狀缺陷等。

　　激光掃描顯微鏡/白光干涉儀：

　　應(yīng)用： 測量較大范圍(微米到毫米)的表面形貌和粗糙度。

　　掃描電子顯微鏡：

　　應(yīng)用： 高分辨率觀察表面微觀形貌和缺陷結(jié)構(gòu)(如位錯露頭點(diǎn))，配合能譜儀可進(jìn)行微區(qū)成分分析。

　　缺陷腐蝕：

　　原理： 利用特定的化學(xué)腐蝕液(如熔融KOH或熱H3PO4)選擇性地腐蝕位錯露頭點(diǎn)。

　　應(yīng)用： 通過光學(xué)顯微鏡或SEM觀察腐蝕坑的密度和形貌來評估位錯密度(EPD)。這是評估晶體質(zhì)量最常用的方法之一，但有損。

　　電學(xué)特性：

　　原理： 測量材料的載流子濃度、遷移率、電阻率等參數(shù)。

　　主要技術(shù)：

　　霍爾效應(yīng)測試：

　　原理： 在垂直磁場中測量橫向電壓差，計(jì)算載流子濃度、遷移率、導(dǎo)電類型和電阻率。

　　應(yīng)用： 評估外延層(特別是n-GaN緩沖層或溝道層)的電學(xué)質(zhì)量，是器件性能的關(guān)鍵指標(biāo)。通常需要制作范德堡電極(有接觸)。

　　電容-電壓測試：

　　原理： 測量金屬-半導(dǎo)體接觸或肖特基二極管的電容隨電壓的變化關(guān)系。

　　應(yīng)用： 測量載流子濃度剖面分布。

　　光學(xué)特性：

　　原理： 探測材料的光致發(fā)光特性。

　　主要技術(shù)：

　　光致發(fā)光光譜：

　　原理： 用激光激發(fā)樣品，測量其發(fā)出的熒光光譜。

　　應(yīng)用： 評估帶隙、合金組分(通過峰位)、晶體質(zhì)量(通過峰強(qiáng)度和半高寬)、雜質(zhì)/缺陷能級(通過次級發(fā)光峰)。快速、無損，常用于Mapping掃描評估均勻性。

　　電致發(fā)光：

　　原理： 在制作了簡單電極的結(jié)構(gòu)上通電，測量其發(fā)出的光。

　　應(yīng)用： 初步評估器件有源區(qū)的發(fā)光特性和均勻性。

　　總結(jié)關(guān)鍵檢測原理的目標(biāo)：

　　評估晶體質(zhì)量： 通過XRD、PL、CL、拉曼、腐蝕坑等檢測位錯密度、層錯密度等。

　　監(jiān)控應(yīng)力狀態(tài)： 通過XRD、拉曼測量晶格常數(shù)變化或聲子峰位偏移，判斷應(yīng)力大小和類型(張/壓)，防止開裂。

　　確保厚度和均勻性： 通過SE、XRR、FTIR、Mapping技術(shù)(PL, Raman)確保整片和外延層厚度的均勻性。

　　控制表面質(zhì)量： 通過AFM、OM、SEM確保表面光滑、無宏觀缺陷和過多顆粒污染。

　　驗(yàn)證電學(xué)參數(shù)： 通過霍爾測試、C-V測試確保載流子濃度和遷移率達(dá)標(biāo)。

　　表征光學(xué)性能： 通過PL、EL評估有源區(qū)質(zhì)量(對LED/LD尤其重要)。

　　綜合應(yīng)用：

　　實(shí)際生產(chǎn)中，需要綜合運(yùn)用多種檢測技術(shù)，才能全面評估一片GaN-on-Si外延片的質(zhì)量。例如，XRD提供整體的晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力信息，PL Mapping顯示發(fā)光均勻性，AFM給出表面粗糙度細(xì)節(jié)，霍爾測試給出電學(xué)參數(shù)，腐蝕法給出位錯密度。這些數(shù)據(jù)共同決定了這片外延片是否適合制作高性能的HEMT、LED、激光器或功率器件。

　　理解這些檢測原理對于優(yōu)化外延生長工藝、提高良率、保證器件性能至關(guān)重要。