[发明专利]a面GaN外延层薄膜腐蚀应力的拉曼表征方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料的腐蚀和表征方法，具体地说是一种 薄膜腐蚀应力的拉曼表征方法。

背景技术

以集成电路为标志的基于硅材料的微细加工技术造就了当代信息社会。一般认为， 硅材料的加工极限是10nm线宽。受物理原理的制约，小于10nm就不太可能生产出性 能稳定、集成度更高的高频、高速和大功率的光电器件。因此，当前在硅材料上的技术 进步将显得越来越困难，人们寄希望于第三代半导体材料，即III-V族氮化物及其合金 材料的电子行为。最先引起人们关注的是纤锌矿结构的GaN，它具有高的电子迁移率， 高的热导率和良好的电流能力等，很适合于制作功率器件、光电器件、HEMT、LED 和LD。但是由于很难制作出大尺寸的单晶，使得人们只能用MOCVD，MBE和ELOG 等方法将GaN薄膜生长在一些性能稳定的衬底上，这些衬底一般有，蓝宝石，SiC，ZnO， LiAlO₂等。人们希望它能够取代硅，提供当前信息时代发展所要求的高速，高频和大 功率的需求，克服目前电子器件越来越小所遇到的尺寸极限效应。

纤锌矿结构的GaN是密排六方结构的一种，这种结构的特点，使得纤锌矿结构的 氮化物材料中存在着非常大的自发极化效应和压电极化效应，这些效应对功率器件是有 益的，它可以在不用掺杂的情况下使不同材料的异质结界面处形成高密度的2DEG，使 得高电子迁移率器件成为可能。另外，根据纤锌矿结构的GaN制成的量子阱器件，其 发光范围包含了蓝光的频段，使普通照明模式发生了颠覆性的改变。特别是在r面，即 面的蓝宝石衬底上生长的非极性a面材料，可以消除因量子限制Stark效 应而发生的波长红移。但是，非极性a面GaN中的位错密度非常高，例如，采用MOCVD 法生长的材料，线位错密度达到了3×10¹⁰/cm²，而堆垛层错的密度达到了3.5×10⁵/cm²。

造成a面GaN材料具有如此高密度的位错和缺陷的原因主要有两个：一是缺乏与 GaN晶格参数相匹配的衬底材料；二是衬底材料与外延层薄膜之间的晶格失配和热失 配而引发的应力。图1为a面GaN外延层薄膜与r面蓝宝石衬底的晶格匹配示意图， 从图1中可以看出，在r面蓝宝石衬底上生长的a面GaN外延层薄膜，由于各自晶格 参数大小而导致的晶格失配，往往会形成的位错和较大的应力，从而影响a面GaN外 延层薄膜的结晶质量，进而影响到材料的发光性能。

虽然现在人们普遍使用横向过生长(ELOG)法可以大大的降低GaN薄膜的位错 和缺陷，但因晶格失配和热失配所引发的应力是产生GaN薄膜材料具有如此高密度的 位错和缺陷的主要原因，是GaN外延层结晶质量的关键因素，直接影响了GaN基量子 阱的发光波长和发光效率，因此，对于外延层薄膜应力的表征就显得尤为重要。

虽然GaN薄膜材料，异质结及其量子阱器件均具有较强的抗酸抗碱等较强的抗腐 蚀能力，根据弹性应力理论，应力的大小可以加速腐蚀速率，降低材料和器件的可靠性 及服役寿命，由此而释放的腐蚀应力可以通过与腐蚀前拉曼散射的频移进行比较获得。 目前测量薄膜应力的方法很多，主要有拉曼法，X光衍射法，双晶衍射法和激光干涉法 等，这些方法均需要通过计算晶格参数，与体材料的晶格参数，即理论的晶格参数进行 对比，来计算外延层薄膜的应变参数，然后根据弹性应变理论，获取外延层薄膜的应力 状况，手段较为复杂，由此而产生的误差也较大；而常规的拉曼表征应力的方法，由于 只是单次利用拉曼声子峰的偏移，无法消除因衬底材料而诱发的声子峰的偏移，对外延 层薄膜应力产生较大的误差。

发明内容

本发明的目的在于避免了上述现有技术的不足，提出一种a面GaN外延层薄膜腐 蚀应力的拉曼表征方法，通过对薄膜腐蚀前后拉曼散射峰频移的相对大小，消除因与衬 底材料之间的应力而诱发的声子峰的偏移，实现对外延层薄膜腐蚀应力的表征。

本发明的技术关键是利用腐蚀对薄膜材料产生应力的特点，即腐蚀应力，结合腐蚀 前后两次拉曼声子峰的差异，通过两次频移差，消除了衬底材料对外延层薄膜声子峰频 移的影响。其实现步骤包括如下：

1)对a面GaN外延层薄膜进行表面清洁处理；