GB/T 36705-2018 氮化镓衬底片载流子浓度的测试 拉曼光谱法

　　ICS 77 . 040 H 2 1

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 36705—2018

　　氮化镓衬底片载流子浓度的测试

　　拉曼光谱法

　　Testmethodforcarrierconcentrationofgallium nitridesubstrates—

　　Ramanspectrum method

　　2018-09-17 发布 2019-06-01 实施

　　国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 36705—2018

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会(SAC/TC 203) 与全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分会(SAC/TC 203/SC 2)共同提出并归口 。

　　本标准起草单位：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、苏州纳维科技有限公司、中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟、有色金属技术经济研究院、东莞市中镓半导体科技有限公司、中国电子技术标准化研究院。

　　本标准主要起草人：郑树楠、张育民、石林、邱永鑫、王建峰、徐科、付雪涛、杨素心、丁晓民、陆敏、杨建。

　　GB/T 36705—2018

　　氮化镓衬底片载流子浓度的测试

　　拉曼光谱法

　　1 范围

　　本标准规定了利用拉曼光谱测试 N 型氮化镓衬底片载流子浓度的方法。

　　本标准适用于在蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓材料上生长的 N 型氮化镓衬底片载流子浓度的测试。

　　测试范围：1 × 1017 cm- 3 ~1 × 1020 cm- 3 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 4326 非本征半导体单晶霍尔迁移率和霍尔系数测量方法

　　GB/T 8170 数值修约规则与极限数值的表示和判定

　　GB/T 14264 半导体材料术语

　　3 术语和定义

　　GB/T 14264 界定的术语和定义适用于本文件。

　　4 方法提要

　　在一定温度下，物质晶格中的原子各自在其平衡位置附近作微振动(晶格振动)，晶格振动的能量用声子表示。 氮化镓材料中一定浓度的载流子与晶格振动相互作用，可以形成纵光学声子与载流子的耦

　　合模(LO phonon-plasmon coupled mode, 简称 LOPC),该耦合模可以在拉曼光谱上出现低频支、高频支 (lower and upper frequency branches, 常标记为 LPP-和 LPP+) 的特征峰。该特征峰的峰位随载流

　　子浓度的变化而改变，通过峰位的变化可计算出载流子浓度。 本方法通过拉曼光谱可实现对 N 型氮化镓衬底片载流子浓度的微区测试，测量直径为 0.7 μm~2 μm。

　　5 干扰因素

　　5 . 1 拉曼光谱常用来检测薄膜材料中的应力，因此需要在测试时考虑应力引入的影响。 当载流子浓度较低时(约<3×1017 cm-3 ), 以极化声子模 A1(LO) 的峰位对载流子浓度进行计算，为了消除应力对极化声子模 A1(LO)峰位产生的影响，可采用氮化镓材料拉曼光谱中 E2 H 峰位来标定样品的应力状态，根据式(1)推得极化声子模 A1(LO)峰位因受应力影响而产生的移动：

　　W′A=WA - 2.9 ………………( 1 )

　　式中：

　　W —校正过后的 A1(LO)峰位值，单位为每厘米(cm-1 ) ;

　　GB/T 36705—2018

　　WA —在拉曼光谱上获得的样品 A1(LO)峰位值，单位为每厘米(cm-1 ) ;

　　WE —在拉曼光谱上获得的样品 E2 H 峰位值，单位为每厘米(cm-1 ) 。

　　5 . 2 拉曼光谱仪一般配有光栅(单色仪)，由于光栅具有温度敏感性，温度变化会使所测光谱的峰位发生漂移，测试时应保持仪器处于合适温度的环境中。

　　5 . 3 若样品表面有沾污，尤其是附着有能产生荧光干扰的物质，会影响到拉曼光谱的测试质量。 如果样品不洁净，可用乙醇、丙酮或甲苯等溶剂擦拭样品，去除沾污后再进行测试。

　　6 仪器设备

　　采用拉曼光谱测试系统测试载流子浓度。 拉曼光谱测试系统应具备如下条件：

　　a) 光谱分辨率不低于 2 cm- 1 ;

　　b ) 采用不低于 50 倍的物镜;

　　c) 仪器的样品台配置为背散射模式;

　　d) 仪器配有可见波段激光;

　　e) 波数范围为 100 cm- 1 ~3 000 cm- 1 。

　　注：如果波长范围较窄，则测试范围相应减小。

　　7 样品

　　样品应保持洁净，目检下没有明显的沾污。

　　8 测试环境

　　除另有规定外，应在下列环境中进行测试：

　　a) 温度范围 23 ℃ ±2 ℃ ;

　　b ) 相对湿度小于 75% 。

　　9 测试步骤

　　9 . 1 仪器校准：采用硅单晶片作为参考样片进行仪器校准，以硅片位于 520 . 7 cm-1 处的拉曼峰位为参照，调整仪器光栅的位置，直至硅峰位于 520 . 7 cm-1 处 。

　　9 . 2 将样品放置在样品台上，使入射激光垂直照射在样品表面。

　　9 . 3 设置光谱测试范围，测试样品的拉曼光谱。

　　10 试验数据处理

　　10. 1 光谱处理

　　对测试所得光谱进行基线校正，用洛伦兹-高斯线型函数对 LOPC耦合模的峰位进行拟合，根据拟合的结果计算载流子浓度。

　　10 . 2 载流子浓度计算

　　10 . 2 . 1 载流子浓度较低时(10 17 cm-3 量级)，在拉曼光谱上较难观察到 LPP-或 LPP+峰，氮化镓材料

　　拉曼光谱中的极化声子模 A1 (LO) 的峰位会受到载流子浓度的影响而发生频移，将极化声子模 A1 (LO)的峰位拟合值作为W，按式(2)、式 (3)计算出样品的载流子浓度。 为了消除应力对极化声子模 A1

　　GB/T 36705—2018

　　(LO)峰位产生的影响，依照 5 . 1 中的方法，计算得出校正后的 A1(LO) 峰位值 ω,并以 ωA值作为 ω 按式(2)、式(3)进行计算。

　　………………( 2 )

　　式中：

　　ωp —载流子(等离子体)的频率，单位为赫兹(Hz) ;

　　ω —LOPC耦合模的波数，取高频支或低频支的峰位值(LPP+或 LPP-),该值从拉曼光谱上拟合后读取得到，单位为每厘米(cm-1 ) ;

　　ωL —A1(LO)声子模的波数，数值为 734 cm- 1 ;

　　ωT—A1(TO)声子模的波数，数值为 532cm- 1 。

　　载流子浓度以 狀 计，按式(3)计算：

　　狀 ………………( 3 )

　　式中：

　　狀 —载流子浓度，单位为每立方厘米(cm-3 ) ;

　　ε0 —真空介电常数，数值为 8 . 85 × 10- 12 , 单位为法拉每米(F/m) ;

　　ε∞ —高频介电常数，数值为 5 . 35 ;

　　犿*— 电子有效质量，取 0.22犿0 ,犿0 为 9.1 × 10- 31 kg;

　　ωp —载流子(等离子体)的频率，单位为赫兹(Hz) ;

　　犲 —单位电荷，数值为 1 . 6 × 10- 19 ,单位为库仑(C) 。

　　测试结果按 GB/T 8170 的规定修约至小数点后两位。

　　10 . 2 . 2 拉曼光谱中出现 LPP-、LPP+峰位时，按下述步骤计算样品的载流子浓度：

　　a) 判定光谱中 LPP-、LPP+特征峰位：当载流子浓度增加到一定程度(约 3 × 1017 cm-3 ) 时 ， LOPC耦合模的峰出现，其高频支 LPP+的峰位随着载流子浓度的增加而逐渐蓝移，并且峰形宽化，而低频支 LPP-的峰位则增加到 TO声子模的频率附近，并基本保持在该频率附近;当载流子浓度较高时，LPP+峰的强度较强，同时，LPP+的峰位与 A1(LO)峰位之间的能量差将足够大，较容易判读。 LPP-峰和 LPP+峰的典型峰形分别如图 1 a)和图 1 b)所示;

　　b) 从拉曼光谱上得到 LOPC耦合模的峰位值 ω,按式(2)、式 (3)计算出载流子浓度。

　　注：如果出现 LOPC耦合模峰，则不需要排除应力影响。

　　GB/T 36705—2018

　　a)LPP-峰

　　b)LPP+峰

　　图 1 拉曼光谱中由载流子引起的耦合模峰形示意图

　　1 1 精密度

　　1 1 . 1 重复性

　　采用 3 片不同载流子浓度量级的氮化镓衬底片样品 C7、C8 和 C9,其载流子浓度按 GB/T 4326 规定的霍尔方法测试获得的结果分别为 5.69 × 1017 cm- 3 、1.24 × 1018 cm-3 和 1.41 × 1019 cm- 3 。按本标准的方法，在同一实验室采用同一台拉曼光谱仪对每个样品分别进行 10 次独立测试，其载流子浓度的平均值和相对标准偏差见表 1 。3 个样品的载流子浓度的测试结果，其相对标准偏差均小于 5%。

　　GB/T 36705—2018

　　表 1 同一台拉曼光谱仪多次测试的载流子浓度平均值和相对标准偏差

　　1 1 . 2 再现性

　　按本标准中的方法，采用 4 家不同实验室的拉曼光谱仪测试样品 C7、C8 和 C9 的载流子浓度。 每个样品在同一台设备上进行 10 次独立测试，取 10 次测试的平均值作为该样品在该实验室获得的载流子浓度数值，4 家实验室载流子浓度的平均值和相对标准偏差见表 2 。 3 个样品的载流子浓度的测试结果，其相对标准偏差小于 6%。

　　表 2 不同拉曼光谱仪测试的载流子浓度平均值和相对标准偏差

　　12 测试报告

　　测试报告应包括以下内容：

　　a) 测试时间、地点;

　　b) 测试人员;

　　c) 样品描述，包括送样单位、样品编号、导电类型等;

　　d) 所使用的拉曼光谱仪的品牌、型号、激光源波长;

　　e) 所使用测试光路的几何配置、测试模式;

　　f) 拉曼光谱谱图;

　　g) 耦合模的峰位;

　　h) 测试结果;

　　i) 本标准编号;

　　j) 其他与本标准不一致的内容。